在許多與電源相關(guān)的應(yīng)用中，必須知道導(dǎo)體中流過多少電流。訣竅在于了解可以測量電流的多種方式，并根據(jù)關(guān)鍵要求（如安全性，功耗，成本，外形尺寸和電路可訪問性）做出正確的選擇。

需要電流檢測的情況包括電機控制反饋，電源操作或太陽能電池陣列的高功率充電。當電流和相關(guān)電壓低至中等，例如大約1 A和10 V時，測量電流非常簡單：只需在要評估電流的路徑中插入一個電流電阻（通常在毫歐范圍內(nèi)），然后測量電阻兩端的電壓。雖然存在確定電阻器大小以最小化不期望的電壓降的問題，同時在電阻器兩端提供足夠大的電位差（電壓）以進行精確測量，但是可以通過一些基本計算和跨電阻器的合適放大器來解決這個問題。

如果電阻器的一端接地（稱為低側(cè)檢測），則測量電路非常簡單。但是，如果電阻器沒有接地（高側(cè)檢測），則需要差分放大器來測量電阻器兩端的電壓 - 無需接地。在許多應(yīng)用中，高側(cè)檢測電路也必須采用電氣隔離，以確保安全性或性能，通常使用光耦或基于變壓器的隔離器。

出于技術(shù)和監(jiān)管原因，需要隔離傳感電路在許多高電壓和電流常見的情況下，例如線路操作的工業(yè)和商用電機，電動/混合動力電動汽車（EV/HEV），太陽能電池陣列，家用電能計量以及許多其他不太明顯的應(yīng)用。它還增加了一個主要的安全屏障，通常是強制性的，以防出現(xiàn)組件故障或人為故障，這可能會在次級側(cè)電路上產(chǎn)生更高或更高的初級側(cè)電壓。當然，它增加了成本和復(fù)雜性，但允許檢測電阻高出地面幾千伏。

使用檢測電阻和經(jīng)常需要的隔離是一種電流測量技術(shù)。隨著電流和電壓增加到兩位和三位數(shù)，由于歐姆定律的基本原理（無論安全問題如何），它可能變得不切實際，因為電阻值必須非常小才能使其上的壓降保持在可接受的范圍內(nèi)。

例如，考慮檢測100 A的最大電流，同時需要將電阻降至較小的值，例如0.1 V，以最大限度地減少電阻引起的電路誤差。然后檢測電阻是：

R = V/I = 0.1/100 =0.001Ω（1.0mΩ）最大值。

在如此小的值（是的，他們確實制造電阻器除非采用特殊的補償和校準技術(shù)，例如開爾文四線傳感，否則接線或觸點中的任何電阻都會影響精度。

隔離傳感器可減輕電子，監(jiān)管問題

在上述情況下，使用非隔離電流檢測電阻和差分隔離放大器來測量電阻兩端的電壓，而無需參考電路接地（或電路公共端）。在以這種方式解決問題時，一些電流感測電路和信號調(diào)節(jié)處于高電位并且直接連接到可能承載數(shù)百安培的導(dǎo)體。這種情況對設(shè)計，制造公差或人為錯誤的任何錯誤都是無法容忍的。

對于那些能夠測量mA范圍內(nèi)電流和單位數(shù)電壓的工程師來說，上升幾個數(shù)量級在這兩個參數(shù)中都可能是一種非常奇怪且有些可怕的體驗。幸運的是，還有另一種方法可以提供不同的解決方案選擇和相關(guān)的權(quán)衡：使用固有隔離的電流傳感器。

如果傳感器本身與被感測的電流路徑電流隔離 - 意味著兩個區(qū)域之間沒有歐姆路徑和近無限阻抗 - 從技術(shù)和監(jiān)管角度來看，電流感應(yīng)挑戰(zhàn)變得更加簡單。只要傳感器是隔離的，傳感電路中的任何內(nèi)容都不會對電路，系統(tǒng)或用戶的其他部分造成任何沖擊或故障風險。

有三個隔離的傳感器通常被認為是完全的隔離的非接觸式電流檢測：電流互感器（CT），Rogowski線圈和霍爾效應(yīng)器件。每個都在準確性，功能限制和范圍上進行權(quán)衡。請注意，這些傳感器需要“環(huán)繞”載流導(dǎo)體，因此必須考慮到裝配。

值得注意的是，一些用于電流測量的測試儀器提供了特殊的夾緊觸點，環(huán)繞現(xiàn)有導(dǎo)體并圍繞它完成傳感電路回路，因為斷開現(xiàn)有導(dǎo)體并將其穿過開口通常是不可行的。

關(guān)于“電流互感器”的側(cè)注

變壓器術(shù)語往往存在一些混淆：傳統(tǒng)的變壓器，帶有初級繞組和次級繞組，在某些情況下可用于測量電流，次級繞組用作采樣的“拾取器”初級繞組中的一小部分電流。這種基本變壓器有時用于測量電流，因此在某些應(yīng)用中也稱為電流互感器。但是，它只能用于交流電流，而不能用于直流電，其設(shè)計通常針對特定頻率（如50或60 Hz）進行優(yōu)化。此外，必須使用RMS/DC轉(zhuǎn)換器IC將次級側(cè)的AC輸出轉(zhuǎn)換為DC信號。這種基于變壓器的電流測量傳感器適用于許多應(yīng)用，但不適用于從直流到預(yù)定頻率的基本電流測量。

電流互感器：繞組加霍爾效應(yīng)

電流互感器使用初級繞組和霍爾效應(yīng)器件作為電流傳感器。這些變壓器有兩個基本版本：開環(huán)和閉環(huán)，每個都有相對的優(yōu)勢和局限：

開環(huán)電流互感器：主要優(yōu)點是成本低，體積小，重量輕，功耗低消費。它們可以設(shè)計用于高達幾百安培的電流（例如EV/HEV），并且具有非常低的插入損耗 - 在這些高功率水平下很重要。它們的局限性包括低至中等帶寬和瞬態(tài)響應(yīng)速度，以及溫度漂移（除非經(jīng)過特殊補償）。

閉環(huán)設(shè)備使用特殊補償技術(shù)提供更高的帶寬和平坦的頻率響應(yīng)帶寬，以及快速的響應(yīng)時間。它們比開環(huán)設(shè)備更昂貴，但在許多應(yīng)用中需要增強的精度和性能。與開環(huán)器件相比，閉環(huán)器件還提供更高的精度和線性度以及更低的漂移。

然而，開環(huán)和閉環(huán)器件都會因高直流電流而出現(xiàn)滯后和飽和并且易受外部磁場的影響，但有很多方法可以解決這些問題。有關(guān)開環(huán)與閉環(huán)相關(guān)特性的摘要，請參見表。

參數(shù)開環(huán)閉環(huán)帶寬0至25 kHz 0至200 kHz響應(yīng)時間<3-7μsec<1μsec精度±1.5％±0.5％線性度±0.5％±0.1％注意事項低功耗，小尺寸，低成本更高的精度，更高的速度

在選擇任何一種類型時，要考慮的一些首要規(guī)格包括要測量的最大電流，峰值/過載條件，范圍，分辨率，物理尺寸和安裝問題（包括孔徑尺寸），溫度范圍和漂移以及安裝問題例如附近的磁場。

另外，您更喜歡帶有內(nèi)置“負載電阻”的變壓器，這是用戶在輸出端提供的負載電阻嗎？該電阻將霍爾效應(yīng)傳感器的輸出轉(zhuǎn)換為電壓輸出;一些電流互感器在其設(shè)計中包含了這一點，因此無需放大和增加尺寸，但在內(nèi)部限制了輸出范圍的靈活性。

電流互感器的一個例子是LEM USA HO-P系列（圖1）閉環(huán)設(shè)備有6 A，10 A和25 A版本，適用于交流和直流電機驅(qū)動，不間斷電源（UPS），太陽能電池板和電弧焊系統(tǒng)等應(yīng)用。 4300 V隔離測試額定電流互感器需要一個5 V電源，并包含一個特殊的過流輸出引腳，可立即指示所檢測的電流是否達到額定最大電流的2.63倍。

圖1：來自LEM USA的HO-P系列電流互感器可以承受高達25 A的電流，尺寸約為20×20×10 mm ，并有一個直徑8毫米導(dǎo)體的孔徑。 （來源：LEM USA）

家庭成員符合UL和IEC的所有相關(guān)安全和性能標準。盡管該器件具有功能簡單的特點，但我們還是可以找到有關(guān)各種極端范圍和性能的靜態(tài)和動態(tài)特性的詳細信息，以及該單元及其互連的基本原理圖（圖2）。

圖2：在LEM USA中，HO-P閉環(huán)電流互感器是線圈拾音器，霍爾效應(yīng)傳感器和輸出放大器。除了電源連接和一對差分輸出連接外，還有一個過電流檢測器連接。 （來源：LEM USA）

Rogowski線圈：鮮為人知，廣泛使用

Rogowski線圈（圖3）測量由感應(yīng)磁場引起的初級電流，其幅度與其成正比到現(xiàn)在。通過基本電磁理論，磁場中的任何變化都會在線環(huán)內(nèi)產(chǎn)生電動勢（EMF），并且該EMF電壓與環(huán)路內(nèi)的磁場變化成比例。因此，環(huán)路的輸出電壓與電流的時間微分（di/dt）成正比。

圖3：Rogowski線圈的概念很簡單。它包括圍繞載流導(dǎo)體的纏繞線圈，并且該線圈的輸出必須被集成以提供與在導(dǎo)體中流動的電流成比例的電壓。 （來源：LEM USA）

Rogowski線圈的獨特之處在于它具有空芯，因此沒有滯后，飽和或非線性。由于沒有磁芯，這些無源線圈成本低，不受直流偏移的影響，可在很寬的動態(tài)范圍內(nèi)工作，并可在極低溫度下可靠工作。

Rogowski線圈依賴于測量因此，請注意，此類電流傳感器比電流互感器更容易受到外部磁場干擾，因此請在設(shè)計中采取適當?shù)念A(yù)防措施以減輕干擾。由于線圈中感應(yīng)的電壓與導(dǎo)體中電流的變化率（時間導(dǎo)數(shù)）成比例，因此Rogowski線圈的輸出通常連接到模擬積分電路，以提供與電流成比例的輸出信號。 。

Pulse Electronics的PA320XNL Sidewinder系列Rogowski線圈電流傳感器提供了該技術(shù)的示例（圖4）。這些線圈的目標是50/60 Hz，單相交流線路，在單個組件中具有0.1 A至1000 A的寬動態(tài)范圍。這些特殊器件不受外部交流和直流磁場以及直流電流影響，并且可提供高達6000 V的隔離。

圖4：PA320XNL Sidewinder系列Rogowski線圈電流傳感器可處理寬10 5 ：1動態(tài)電流范圍，最高1000 A，并提供6000 V隔離。 （來源：Pulse Engineering）

根據(jù)具體型號以及是否為50 Hz或60 Hz AC線路，這些線圈產(chǎn)生的A輸出在每A A約400μA至500μA之間。圖5顯示了這種“簡單”元件的低頻等效電路和相應(yīng)的基本規(guī)范，盡管即使是正常的規(guī)范（如精度）也有一個由IEC標準化的定義（見圖中的注釋3）。

圖5：PA320XNL Sidewinder系列Rogowski線圈電流傳感器的規(guī)格顯示了它們的定義，基本輸入/輸出關(guān)系，參數(shù)等效電路模型，以及測量這些規(guī)范的條件。 （來源：脈沖工程）

直接進入霍爾效應(yīng)

霍爾效應(yīng)以物理學(xué)家埃德溫霍爾命名，他于1879年發(fā)現(xiàn)當一個導(dǎo)體或半導(dǎo)體流入一個如果垂直于磁場設(shè)定方向，則可以與電流路徑成直角測量電壓（電位差）。完整的解釋需要使用高級物理，但使用基于霍爾效應(yīng)的傳感器來獲取電流并不需要理解這些詳細的原理。

今天的霍爾效應(yīng)傳感器不僅包含一個傳感元件，它本身也會受到漂移，偏移，放置和其他誤差的影響。相反，在傳感器封裝內(nèi)使用多個器件陣列，與放大器和其他有源電路相結(jié)合。待測電流被傳送到傳感器陣列，其中的多個霍爾效應(yīng)器件根據(jù)電流幅度產(chǎn)生精確的電壓（放大和其他校正后）。

霍爾傳感器具有寬動態(tài)范圍即使在較高電流下也能獲得良好的性能，但它們會受到飽和/滯后和溫度漂移的影響。通過適當?shù)脑x擇可以最大限度地降低飽和/滯后效應(yīng)，如果選擇溫度補償器件（并且可以使用許多器件），漂移通常可以忽略不計。

Melexis MLX91205是一個很好的例子?；魻栃?yīng)傳感器，增加了增強可用性的功能。雖然它采用簡單的表面貼裝8-SOIC封裝，但它集成了基于CMOS的霍爾電路和薄鐵磁集中器（圖6）。前者具有兩對霍爾元件，用于與芯片表面平行的靈敏度方向，而后者“放大”來自電流導(dǎo)體的外部磁場并將其集中在霍爾元件上。它還具有偏置，校準，補償，調(diào)制/解調(diào)功能和輸出緩沖器等功能。它測量交流和直流電流，并產(chǎn)生與施加的磁場平行于芯片表面成比例的模擬，線性，比率公制輸出電壓。

圖6：MLX91205霍爾效應(yīng)傳感器采用簡單的8-SOIC表面貼裝封裝，但它包含多個霍爾元件以及放大器和解調(diào)器。 （來源：Melexis）

對于較低的電流（±2 A），用戶可以通過在傳感器周圍纏繞線圈來增加磁場，同時在線圈周圍添加屏蔽可以產(chǎn)生額外的靈敏度（并提高抗擾度）外部場），如圖7所示。

圖7：通過使用額外的繞組和屏蔽，低范圍（2 A）性能可以增強MLX91205霍爾效應(yīng)傳感器的功能。 （來源：Melexis）

測量高達±30 A的范圍時，所需的只是印刷電路板上的單根導(dǎo)線。該電路板走線的厚度和寬度必須符合最大預(yù)期的連續(xù)RMS電流額定值（圖8）。在此配置中，Melexis器件的輸出在滿量程時約為1000 mV。

圖8：對于30 A的中程操作，MLX91205可以直接放在合適的印制電路板上，可以處理當前值。 （來源：Melexis）

機械方面的考慮因素在最高范圍內(nèi)至關(guān)重要，例如±600 A.為達到該值，MLX91205可以安裝在一個大的，厚規(guī)格的銅線對面，能夠承載電路板另一側(cè)的電流（圖9）。

圖9：在較高電流下，放置變得不那么重要; MLX91205可以使用高達600 A的“三明治”，包括設(shè)備，印刷電路板以及電路板底部的重型走線或分流元件。 （來源：Melexis）

根據(jù)所選的霍爾器件和安裝情況，通常使用已知電流校準它。完成此操作后，可以最大限度地減少由于位置，附近電流和場以及其他因素造成的偏移和誤差。

結(jié)論

測量電流比測量電壓更加困難和干擾并且要求導(dǎo)體被傳感元件包圍或穿過傳感元件。隨著電流和電壓水平的增加，在傳感電路和系統(tǒng)的其余部分之間實現(xiàn)電流隔離變得謹慎并且通常是強制性的。

可以使用電子電路和元件提供隔離，這是經(jīng)常做。然而，一個有吸引力的替代方案是使用傳感器，該傳感器固有地隔離，因此不需要額外的隔離電路。電流互感器，Rogowski線圈和基本霍爾效應(yīng)器件是設(shè)計工程師在這些情況下最常用的隔離傳感器。