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動電氣化的4大電流檢測設(shè)計趨勢
2023-03-15 492次


在所有描述世界日益電氣化的流行語中,有一個詞十分亮眼:電流檢測。如果電流檢測技術(shù)不可靠、不準(zhǔn)確且難以用于設(shè)計,那么在太陽能電池陣列、電動汽車 (EV) 充電站或機器人領(lǐng)域令人耳熟能詳?shù)膭?chuàng)新幾乎都不可能實現(xiàn)。

 

隨著電氣化應(yīng)用發(fā)展而出現(xiàn)的四大設(shè)計趨勢,以及用于提高系統(tǒng)電壓、增強系統(tǒng)保護、實現(xiàn)遙測監(jiān)測和縮減外形尺寸的電流檢測技術(shù)。電流傳感器監(jiān)測電氣系統(tǒng)中的一項重要參數(shù),即電流,這能夠使系統(tǒng)在安全范圍內(nèi)盡可能高效地運行。

 

通過電流檢測支持更高的系統(tǒng)電壓

隨著對效率的要求愈加嚴(yán)格,系統(tǒng)電壓也隨之增加,從而有助于提高效率。根據(jù)歐姆定律,在較高的系統(tǒng)電壓下,可通過降低負(fù)載的電流來得到等量的功率,這有助于減少系統(tǒng)中的 I2R 損耗。電壓愈高,系統(tǒng)可以愈發(fā)高效地傳輸大功率,原因是電流范圍更小,交流/直流或直流/直流功率變換器等級產(chǎn)生的熱量更少。

 

1 所示的電動汽車充電器正在將電源從電網(wǎng)中斷開,其電壓電平可能為 120VAC、240VAC、230VAC(單相)或 400VAC(三相)。典型的電動汽車充電器將電網(wǎng)的交流電輸送到電動汽車車載充電器,后者將交流電轉(zhuǎn)換為直流電,并為電池充電。

 

在直流快速充電器中,交流電從電網(wǎng)傳輸至電動汽車充電器,在充電器內(nèi)從交流轉(zhuǎn)換為直流,并向電池提供高達 920VDC 電壓,從而加快充電速度。提升到更高的電壓電平,并保持相似的電流電平,可以向電池直接傳輸更多功率,從而更快、更高效地充電。

 

1:電動汽車充電器


電流傳感器有助于提高電動汽車充電器的系統(tǒng)效率,并可在整個系統(tǒng)的多個位置使用。這些傳感器可用于交流線路輸入來監(jiān)測電流,從而調(diào)節(jié)進入系統(tǒng)前端的無功功率。另一方面,在系統(tǒng)功率因數(shù)控制環(huán)路和第二直流/直流級后的正節(jié)點或負(fù)節(jié)點上,此配置可用于監(jiān)測故障。

 

還可以在第一直流/直流級和第二直流/直流級之間的某個位置,使用差分放大器的電流檢測實現(xiàn)磁通平衡。此外,有必要使用 AMCS1100 或 TMCS1100 等隔離式電流傳感器,為系統(tǒng)和操作電動汽車充電器的人員提供保護。

 

增強系統(tǒng)保護

電氣化還提高了對系統(tǒng)保護的需求,從而確保系統(tǒng)對安全工作區(qū)外的事件做出迅速響應(yīng),避免損壞半導(dǎo)體和其他敏感器件。在大多數(shù)系統(tǒng)中,某種形式的系統(tǒng)保護可確保系統(tǒng)按預(yù)期運行。例如,如果圖 2 所示的機器人拾取了一個異常沉重的物品,則電機會出現(xiàn)明顯的電流尖峰。

 

2:工業(yè)機器人


電流尖峰可能意味著負(fù)載超出機器人的能力范圍,可能會損壞系統(tǒng)或物理機械臂內(nèi)的器件。具有集成式比較器的電流檢測器件會檢測到可能超出系統(tǒng)安全工作區(qū)的峰值電流涌入電機。具有集成式過流比較器的 INA301 可做出快速響應(yīng)(低于 1μS)并設(shè)置警報,這可能導(dǎo)致系統(tǒng)停機。這與負(fù)載點測量類似,其中基于分流器的傳感器(如 INA228 和 INA226 超精密雙向電流檢測放大器)可以監(jiān)測通過特定節(jié)點的電流和電壓電平,從而確保節(jié)點保持在其安全工作區(qū)內(nèi)。

 

實現(xiàn)遙測監(jiān)測

隨著應(yīng)用的電氣化程度提高,對監(jiān)控的要求也更為嚴(yán)格,以便跟蹤能耗等級和改善預(yù)測性維護。

 

為預(yù)測性維護進行監(jiān)測或遙測監(jiān)測的一個示例是,對機架式服務(wù)器系統(tǒng)中冷卻風(fēng)扇的電流和電壓電平進行數(shù)據(jù)記錄。INA232 等器件用于對風(fēng)扇的功耗進行數(shù)據(jù)記錄。通過數(shù)據(jù)記錄,系統(tǒng)能夠向技術(shù)人員發(fā)出警報,指示風(fēng)扇可能運行不穩(wěn)定或使用壽命即將結(jié)束。

 

數(shù)字功率監(jiān)測器是適合此類用例的一種器件,因為它同時接收總線電壓和電流信息。數(shù)字功率監(jiān)測器 IC 通過板載運算來計算功率、電荷和能量,并通過 I2C 或串行外設(shè)接口傳輸這些信息(以及總線電壓和電流數(shù)據(jù))。片上運算可以減少 CPU 或微控制器上的進程,因此處理資源可用于更有效地處理其他任務(wù)。這點對于具有任務(wù)密集型 CPU 或微處理器的系統(tǒng)尤為重要。 

 

縮減外形尺寸

隨著越來越多的應(yīng)用包括的電子元件越來越多,或需要安裝在更小的空間中,人們更需要縮減元件的尺寸或增加每個單元的功能數(shù)量,從而幫助減小整個電路板的面積。許多系統(tǒng)(如智能手機和機器人系統(tǒng))都受到尺寸限制,需要不斷縮小尺寸和增加功能數(shù)量。

 

較小的電流檢測器件可讓設(shè)計人員加強對整個系統(tǒng)的監(jiān)測,或減小系統(tǒng)的整體尺寸。這兩種情況都具有一定優(yōu)勢,具體取決于整體系統(tǒng)參數(shù)。減小集成電路 (IC) 的尺寸或增加每個單元的功能數(shù)量都會增加功能密度,從而實現(xiàn)強大的個人電子產(chǎn)品、車載充電器和小型協(xié)作機器人電機驅(qū)動系統(tǒng)。

 

利用超小型 IC 或功能豐富的芯片可為實現(xiàn)更小的系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。例如,Wafer-Chip Scale Package (WCSP) 等芯片封裝選項或具有集成式分流器的 INA253 支持設(shè)計人員在不影響性能或功能的情況下縮減其系統(tǒng)的尺寸。

 

結(jié)語

通過更好地了解上述趨勢以及有助于實現(xiàn)這些趨勢的 IC,您可以應(yīng)對特定的高壓設(shè)計挑戰(zhàn),并通過監(jiān)測電流測量值來確保系統(tǒng)在安全工作區(qū)內(nèi)運行,從而實現(xiàn)可靠性和安全性。

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  • TMS320F28335PTPQ 采用了高性能的 32 位浮點處理器架構(gòu),具備強大的計算能力。它的時鐘頻率高達 150MHz,能夠快速處理復(fù)雜的數(shù)字信號處理算法。這款處理器擁有 32 位的單精度浮點單元(FPU),可以進行高精度的浮點運算,適用于對精度要求較高的應(yīng)用場景。
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  • MSP430FG4250IRGZR 采用了 16 位的精簡指令集架構(gòu)(RISC),具備強大的處理能力。它的工作頻率可高達 16MHz,能夠快速響應(yīng)各種輸入信號并進行復(fù)雜的計算。這款微控制器還配備了高達 16KB 的閃存和 256x8 的隨機存取存儲器(RAM),為用戶提供了充足的存儲空間來存儲程序和數(shù)據(jù)。無論是處理復(fù)雜的算法還是運行大型的應(yīng)用程序,MSP430FG4250IRGZR 都能輕松應(yīng)對。
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