开环磁通门能否在电源设计中走向主流

电子发烧友网报道（文/黄山明）随着电动汽车、储能等行业的快速发展，对于电流检测的需求也在日益提升。不过针对这些场景，更多使用的是通过霍尔效应传感器、分流电阻、电流互感器（CTs）和罗氏线圈（Rogowski coils）等传感器来完成的。
 
而在某些需要极端精度的电流测量场合，或者当电源系统处于高干扰磁场环境中时，磁通门传感器的高精度和抗干扰能力可能使其成为一个有价值的选择。并且随着开环磁通门传感器的普及，成本下降之后，有望让其在电源设计中占有一席之地。
 
昂贵的磁通门传感器
 
在如今的电气设备中，电流传感器非常重要，这种传感器能够感受到被测电流的信息，并将这些信息按一定规律变换成符合一定标准需要的电信号或其他形式的信息输出。电流传感器根据不同的应用场景和技术需求，发展出了多种类型，包括霍尔传感器、分流电阻、电流互感器以及磁通门等。
 
通常而言，在电源设计中，霍尔效应传感器因其简单性、成本效益和适应性而更常被用作电流传感器。霍尔传感器能够直接测量电流引起的磁场，无需复杂的信号处理，同时提供良好的隔离和安全性能。此外，霍尔传感器的响应速度快，适用于高频开关电源中的电流监控。
 
而磁通门传感器在某些需要极端精度和灵敏度的电流测量应用中可能会被使用，例如在需要高精度电流检测的高端电源管理系统中，但在电源设计中甚少用到，原因在于其昂贵的成本。
 
比如根据近期市场中的一些公开数据，一个交直流零磁通门互感器的价格大约为680元人民币，而一个闭环磁通门互感器的价格约为75元人民币。而普通的霍尔传感器价格大概在几毛钱到数百元不等，这意味着即使是低端的磁通门传感器，其成本也可能比霍尔传感器高很多倍。
 
高昂的成本一方面在于磁通门传感器的核心部件为高导磁率的磁芯，通常由特殊的磁性材料制成，如超磁致伸缩合金（如Metglas、Permalloy等）。这些材料具有高磁导率和低矫顽力，但成本也相对较高。
 
同时磁通门传感器需要精确的磁路设计和信号处理电路，尤其是闭环磁通门传感器，它们包含了一个反馈控制回路，用以保持磁芯在未饱和状态。闭环系统需要额外的硬件和复杂的信号处理算法，增加了设计和制造的复杂度和成本。
 
当然，如果使用开环磁通门传感器设计的话，由于没有闭环控制系统，它们直接检测磁芯的磁化状态变化，然后将其转换成电信号。这种简化的设计减少了所需组件的数量，降低了信号处理的复杂性，因此通常具有较低的生产成本。
 
不过即便是开环的磁通门传感器，成本上仍然不会太低，例如一个低成本的开环磁通门电流传感器可能在人民币50元至200元之间，而高性能的开环磁通门传感器，具备更高的精度和更宽的动态范围，可能达到人民币500元至2000元或更多。
 
开环磁通门传感器存在发展潜力
 
从技术上来看，开环磁通门传感器具有低零漂和偏温漂的特点，因为磁芯处于交变的B-H磁场中，避免了磁通门在磁路中的磁偏移。这使得它们在小电流测量中具有很高的精度，尤其是在动态特性和高分辨率方面表现优异。
 
通过Comsol仿真分析，开环磁通门电流传感器的集磁环设计关键技术经实验验证，磁环可将电流测量灵敏度提高15.4倍，频率可达6.7 kHz，可满足交直流复杂漏电流检测。
 
这意味着开环磁通门传感器可以用于测量各种交流、直流、脉冲和复杂信号。它们在工业领域，如驱动器、电源、电源故障检测、新能源、光伏阵列侧的人体接触保护等方面有广泛应用。
 
比如，可以使用开环磁通门传感器的±100A汇流条电流传感器参考设计，提供了高达±100A的非侵入式（隔离式和无损耗）电流测量解决方案，适用于BMS、交流驱动器控制模块、伺服驱动器控制模块等应用。
 
目前市场中也有不少企业推出了相应的磁通门传感器产品。如TI的TIPD205参考设计就使用开环磁通门传感器来精确测量高达100A的直流、交流和脉冲电流。而DRV425是一款专为单轴磁场感测设计的磁通门磁场传感器，适用于电气隔离式高灵敏度精密直流和交流磁场测量。该传感器具有低偏移、低漂移、低噪声特性，广泛应用于母线电流感测、走线电流感测、太阳能逆变器等领域。
 
还有如LEM的CAB系列磁通门电流传感器专为电动汽车和混合动力汽车的电池包电流测量设计。例如，CAB-SF 1500-001型号，额定值为1500A，测量范围为1500A，适用于开环磁通门应用，具有高精度和宽温度范围的特点。
 
而国内的开环磁通门产品则仍处于发展阶段，好消息是福州物联网开放实验室在2023年底发布了自主研发的C01/C02/C03三个系列共12种型号的磁通门电流传感器，这标志着中国在磁通门传感器领域实现了国产化替代，摆脱了对进口产品的依赖，构建了自主可控、安全可靠的国内生产供应体系。
 
此外，芯进电子在2024年推出了国内首颗研发并量产的磁通门高精度闭环电流传感器IC CC6836，虽然这是闭环版本，但它也反映了国内企业在磁通门传感器技术上的进步和成熟。
 
开环磁通门传感器在精度、温度漂移、带宽和响应时间等方面的表现越来越受到重视。其高精度和低漂移特性使其在高精度测量领域具有很大的潜力，并随着电动汽车和储能技术的发展，市场对高精度、高可靠性的电流测量需求确实在增加，这为开环磁通门传感器提供了一个潜在的增长机会。不过想要真正成为市场中的主流，还需要在实际应用中持续证明其价值，并且在与传统传感器的竞争中显示出明显的竞争优势。
 
小结
 
依靠更简单的设计，以及相对闭环磁通门更低的成本，加上其高精度、低漂移和高灵敏度的特性。如果能够再满足电动汽车、储能系统、可再生能源和自动化领域，对高精度、高稳定性和高效率的电流传感器有着巨大的需求，那么开环磁通门传感器未来可期。