磁电流传感器在电力应用中的优势

下一代电子设备面临重大技术挑战，这将影响电源管理性能和效率。转换和电源管理应用越来越需要能够提供可靠性、耐用性和准确性的电流传感器。这些器件，无论是霍尔效应传感器、变压器、分流电阻器还是各向异性磁阻 (AMR) 电阻器，都是监测负载吸收的功率以及控制和保护电源所必需的。

必须仔细选择电流传感器，为特定应用选择最合适的解决方案。根据电气绝缘类型，电流传感器可分为隔离式传感器和非隔离式传感器两类。非隔离传感器适用于低电压应用，通常低于 50 V AC 或 120 V DC。在电压和功率较高的情况下，或者有浮动测量时，需要使用隔离传感器。

一种类型的隔离传感器可以使用分流电阻器和光学或电容绝缘体制成。另一种解决方案是使用磁电流传感器。第一种方案除了分流电阻器外，还需要一定数量的外部元件，第二种方案是单芯片解决方案，只需要集成磁性 IC。

磁电流传感器

磁性电流传感器可用于任何有功率转换的应用，包括：

数据中心、服务器和电信电源：第一级将单相或三相交流电源转换为直流电压，通常包括 PFC 电路以实现更高的效率。以下阶段由一个或多个 DC/DC 转换器表示，这些转换器产生负载所需的电压(48 V、12 V 和单个 CPU 的低至 1 V)。

电机驱动器和逆变器：第一级是带 PFC 的 AC/DC 转换器，然后是三相 DC-AC 逆变器。

不间断电源 (UPS)：带 PFC 的 AC/DC 转换器后面是电池充电器、电池本身和 DC/AC 逆变器。

电动汽车 (EV) 电机驱动和电池管理：该应用涉及的不同阶段如图1所示。在这种情况下，作为进一步的输出级，有两个 DC/DC 转换器和一个充电器为 12-V 和 48-V 电池供电。

图 1：EV 电机驱动器和电池管理系统 (BMS) 应用(图片：Aceinna)

所有上述应用都需要在电路中的相关点进行准确的电流测量，因此需要准确可靠的传感器。在图 1示例中，隔离电流测量点用绿色圆圈表示，而黑色圆圈表示非隔离电流测量值。

在云、连接、5G/人工智能、工业 4.0、电动汽车/电气化以及快速碳化硅 (SiC) 等应用的推动下，磁电流传感器市场预计将从 2019 年的 13 亿美元增长到 2024 年的 20 亿美元和氮化镓 (GaN) 器件。

效率是电源中的一个主要问题。80 Plus 标准的最高效率级别称为 80 Plus Titanium，要求所有额定负载部分(10%、20%、50% 和 100%)的效率都高于 90%，在 50% 的负载下效率高达 96%。额定负载。SiC 和 GaN 等宽带隙半导体 (WBG) 将有助于实现这些效率水平。WBG 器件通常具有约 50 倍的开关速度、3-5 倍的低电阻、更高的击穿电压、3 倍更好的热传导和更小的占位面积。电源将变得更小、更高效，控制更顺畅，但同时需要更高的带宽、精度和更小尺寸的电流传感器。

选择标准

在选择电流传感器时，设计人员应评估几个关键规格。其中包括：

标称电流和过流要求、电流源(交流或直流)和电流方向(单向或双向)

温度范围内的精度：数据表应指示总误差和读数百分比与满量程百分比

支持功率级开关频率所需的带宽

输出阶跃响应，由 di/dt 测量给出，它给出了测量系统需要多快的概念

温度范围

隔离类型

解决方案的规模和成本

电气和机械接口

其他规格包括所需电源、输出类型、功能(例如过流检测)、di/dt 和 dv/dt 耐受性、UL/IEC 认证以及设计简单性/易用性

大多数隔离式电流传感器不支持 WBG 半导体(如 SiC 和 GaN)典型的高开关速度，而支持它们的传感器成本很高。当前的趋势是通过创建具有高带宽和低相位延迟的磁传感器来克服有限的带宽和低响应时间。通过这种方式，可以获得显着的优势，例如覆盖高达 10 倍开关频率的带宽、小于 500 ns 的输出阶跃响应时间、更高的温度精度、更大的动态范围、更高频率下的损耗降低以及更小的尺寸。

一种解决方案：Aceinna MCx1101

Aceinna Inc. 提供基于 AMR 技术的全新电流传感器系列，以具有成本效益的单芯片外形尺寸实现行业领先的精度、带宽和阶跃响应综合性能。

基于 AMR 的高精度、宽带宽电流传感器可用于各种 ADC 和基于微处理器的电源系统和应用。MCx1101器件是完全集成的双向电流传感器，与替代解决方案相比，可提供更高的直流精度和动态范围。

例如，±20-A 版本的典型精度为 ±0.6%，并保证在 85°C 时达到 ±2.0%(最大值)的精度。这些新型电流传感器采用行业标准 SOIC-16 封装(图 2)，具有低阻抗(0.9 毫欧)电流路径，并通过 UL/IEC/EN 认证，适用于隔离应用。

图 2：基于 AMR 的电流传感器(图片：Aceinna)

MCx1101 传感器还保证在整个温度范围内的偏移为 ±60 mA，或 FSR(最大值)的 ±0.3%，这意味着可以在大约 10:1 的电流范围内实现高精度，与领先的基于霍尔传感器的设备。这些器件提供了高精度、1.5MHz 信号带宽与行业基准相移与频率、快速输出阶跃响应和 4.8kV 隔离的独特组合，使其适用于快速电流控制回路中的电流检测和保护高性能电源、逆变器和电机控制应用。

MCx1101 的快速响应和高带宽还适用于基于 SiC 和 GaN 的快速开关功率级，使电源系统设计人员能够利用 WBG 器件实现的更高速度和更小的组件。MCx1101 还提供集成过流检测标志，以帮助实现现代电源系统所需的过流检测。支持的电流范围为 ±50、±20 和 ±5 A。它们提供固定增益 (MCA1101) 和比例增益 (MCR1101) 版本。(Aceinna 的 MCx1101 完全集成的双向电流传感器是2019 年度产品奖的获得者。)

　　审核编辑：汤梓红