[技术浅谈TechTalk] 电流传感器

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技术浅谈

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作者：Littelfuse客户经理Rambo Liu

电流传感器是一种电流检测装置，可以检测被测电流的信息，按比例换算成符合标准的电压或电流信号，以满足信息的传递、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

分流器

即高精度电阻，作为常见的电流检测元件，具有精度高，线性度好以及温度稳定性高的优点，常用于小电流直流应用，对于交流应用需要与线性光耦搭配使用。分流器由于直接串联于电路当中，具有插入损耗与发热问题，因此大电流应用常采用非插入型产品方案。

电流互感器

利用原副边匝比不同来进行电流信号检测，只能作为交流信号的检测，具有成本低，精度高，结构简单等优点。

霍尔电流传感器

霍尔效应是运动的带电粒子在磁场中受洛仑磁力作用引起的偏转，这种偏转导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷的积聚，从而形成横向电场，将该电场进行信号放大处理即转换为满足标准的输出所需信号。因此利用霍尔效应可以实现非接触式电流检测，具有无插入损耗、隔离式、检测精度高、结构电路简单等优点。

开环电流传感器：将原边电流产生的电磁信号转化为电压信号，通过放大器输出，有贴片式产品作为小电流检测，也有模块式作为大电流检测。

闭环电流传感器：在磁芯上饶副边线圈，在原边有电流流过时，副边线路电流产生的补偿磁通与原边电流Ip产生的磁通大小相等，方向相反，使得磁芯中磁通总量为零。霍尔器件和辅助电路产生的副边补偿电流准确反映了原边电流的大小，原副边电流大小为线圈匝比关系。

闭环电流传感器具有精度高、线性度好、磁失调小、动态性能好等优点，成本相对较高，功率损耗大。

磁通门电流传感器

与霍尔电流传感器类似，都是通过检测气隙中磁通大小来检测电流信号，只是气隙中感应元件变为磁通门探头。

如下为几种常用电流传感器对比

磁阻电流传感器

磁阻技术的发展，使得电流传感器感应元件得到了进一步扩充，其中各向异性磁阻(AMR)、巨磁阻(GMR)以及隧道磁阻(TMR)技术的发展使得电流传感器实现更高精度、更好温度稳定性以及更高带宽，目前成品主要为贴片式电流检测产品。

物质在一定磁场下电阻改变的现象，称为“磁阻效应”，磁性金属和合金材料一般都有这种磁电阻现象，通常情况下，物质的电阻率在磁场中仅产生轻微的减小；在某种条件下，电阻率减小的幅度相当大，比通常磁性金属与合金材料的磁电阻值约高10余倍，称为“巨磁阻效应”（GMR）。

随着GMR效应研究的深入，TMR效应开始引起人们的重视。尽管金属多层膜可以产生很高的GMR值，但强的反铁磁耦合效应导致饱和场很高，磁场灵敏度很小，从而限制了GMR效应的实际应用。磁隧道结（MTJ s）中两铁磁层间不存在或基本不存在层间耦合，只需要一个很小的外磁场即可将其中一个铁磁层的磁化方向反向，从而实现隧穿电阻的巨大变化，故MTJs较金属多层膜具有高得多的磁场灵敏度。同时，MTJs这种结构本身电阻率很高、能耗小、性能稳定。因此，MTJs无论是作为读出磁头、各类传感器，还是作为磁随机存储器(MRAM)，都具有无与伦比的优点，其应用前景十分看好，引起世界各研究小组的高度重视。

精度计算

电流传感器最核心的参数即电流检测精度，电流精度主要考虑线性度、零点以及零点温漂，闭环产品增加一个增益误差。

开环产品精度计算：

XG = εL + εVoe + εTCVoe

闭环产品精度计算：

XG = εL + εG + εIoe + εTCIoe

通常规格书给出的为额定电流下所对应的精度，所有误差的算法，其中分母为当前测试电流所对应的值，因此以线性误差为例，额定电流100A的电流传感器，其线性误差为1%，在实际电流10A时，其线性误差达到了10%（1%*100/10），同理零点误差与零点漂移误差也随之增大。

电流传感器的小电流精度才是真正考验传感器的地方，因此为了满足不同电流的精度需求，目前市面上有双量程输出的电流传感器，以及霍尔电流传感器与分流器组合方式，其中霍尔负责大电流，分流器负责小电流。磁阻技术的引入也增加了高精度需求的可选项。