原创 马达控制电流感测之应用比较

电流感应器是马达控制系统中一项重要元件,近几年来感应器技术上的发展已让精确度与可靠度有了改善,同时也降低了成本,现今可用的许多感应器,是将感应器本体以及信号条件电路整合成单一封装.

在马达控制应用中,将电流资讯传送到微控制器或数字信号处理器的三种普遍隔离电流感应方式为:隔离放大器和分流电阻器、霍尔效应电流感应器、电流感应变压器。本文将讨论并比较前两种做法。

隔离放大器与分流电阻器

分流电阻器由于能以低成本提供精确的测量结果，因此是相当常见的电流感应器。其判读已知的低阻电阻器之压降以判断流经负载的电流，接着透过如光耦合放大器或电位转换高压晶片来将电压差转换到可用的范围，并提供电阻器与控制电路间所需的电气隔离，图一是在电流感应上使用低阴值分流电阻器，并用高阻值并聊电阻器作为电压感应元件的典型与马达控制方块图。

在设计电流分流感应电路上面临的一个较难的问题是如何在噪音相当高的工作环境，例如马达相位电流的影响提供精确模拟信号的直流隔离、或动态电位转换，其中主要的困难来自于大的的共模电压、共模电压的高交动率，及转换IGBT交流器电日体时所产生的瞬间电压变化，这些变化的幅度会相等于DC供应电压，甚至更高，同时上升速度也相当迅速（高于10 kV/μs)，使得感应电流经每个马达相位的电流变得困难。

光隔离放大器不受到外界磁场的影响，且不存在可能影响霍尔效应电流感应器偏移的磁场效应，同时光隔离放大器还能轻易地安装在印刷电路板上，并且在性能上也相当具有弹性，使得相同的电路与印刷电路板布局可以透过简单地更换分流电阻就能够应用在不同电流范围的感测上。

采用线性光耦合器的放大器可能因工作温度变化造成线性漂移，且会因电流传输率(CTR, Current Transfer Ratio)经过时间老化而缩短操作寿命的影响，这些可透过放大器的输出入端加入和相匹配光电二极管所组成的负回授电路，让转换不受到任何LED输出出的老化影响，只要两个光二极管与光学特性确实紧密匹配，其他方式则包括在输入端使用由模拟数字转换电路或ADC所构成的电压频率转换器，让光隔离路径传送数字而非模拟资讯，而在隔离放大器的另一端，再透过数字模拟转换器产生比例的电压输出。

sigma-delta(Σ-Δ)(也称为过度取样或1-bit)结构主要由一个1-bit ADC与滤波电路所构成，对输入信号进行过度取样并进而执行噪音处理来达到高解析度的数字位元串，输出平均值和输入信号成正比，Σ-Δ转换器由两个运算放大整合器以及一个时脉源的比较器所构成成，并由高频率非重叠的双相位时脉以大约6MHz驱动。Σ-Δ转换器所采用每秒6百万次取样(6MSPS)的操作可节省输入取样保留或追踪保留电路的需求。这项编码方式的大幅优势是任何非理想的LED特性，(例如非线性度以及因时间或温度)所造成的漂移，对隔离放大器运作效能的影响微乎其微。

使用Σ-Δ转换器在模拟到数字转换上有两个好处：
1. 转换精确度主要是由高取样率决定，且不太受到晶片制程中元件是否匹配的影响。
2. Σ-Δ调变器会执行放大器噪音的处理，让它更有效地被滤除。

了解隔离放大器的参数
与马达驱动电流感应应用相关的隔离放大器规格包括：

输入参考偏压：这是取得0V输出所需的输入电压，所有隔离放大器都需在反向与非反向输出入之间有一个小型电压，以便能将无法避免制程差异所造成的非匹配情况加以平衡，所需的电压大小就称为输入偏压(VOS)。

Avago的Σ-Δ放大器数据表还提供了另一个与VOS相关的参数，就是输入偏移压的平均温度系数，这个以μV/°C为单位的参数|?VOS/?TA|提供了不同温度下可能出现的输入偏压漂移，VOS以元件的极限温度来测量，而|?VOS/?TA|则以?VOS/?°C计算。

■增益公差：这在多重相位驱动中特别重要，因为它需要精确增益公差以确保精确相位间的准确度，而对如Avago的HCPL-7860/786J/7560等隔离式调变器来说，较为重要的规格为数字模拟转换与参考电压VREF的参考公差。

Avago的数据表提供了与增益相关的另一个参数：增益平均温度系数。G的平均温度系数|?G/?TA|(V/V/°C)定义了不同温度下可能的增益漂移，G以元件的极限温度测量，而|?G/?TA|是以?G/?°C计算，对隔离调变器而言，则是|?VREF/?TA|，单位为ppm/°C。

■非线性度：这是元件在整体输入电流范围下精确度的指标，为元件输出电压与预期电压值间的差异，并以实际输出范围的%表示，%数值越低，代表元件表现越佳，也就是更接近完美的线性。

Avago的数据表同样也列出了关于非线性的另一个参数，为非线性的平均温度系数，非线性平均温度系数|?NL/?TA|单位为%/°C，定义为温度变化下预计的非线性度，非线性度以元件的极限温度下测量，而|?NL/?TA|是以?%/?°C计算。

■共模聚斥(CMR)：在电子马达驱动时，会因反向电晶体的的切换动作产生大的电压瞬间变化，这些瞬间变化最小会等于两端的DC电压大小，并可具备迅速的上升速率，使得流经每个马达相位的电流感应变得相当困难。

■传递延迟与频宽：元件的反应速度必须快到以确保能够精确地表示输入信号，且以不波及系统的稳定性，元件同时也必须能够快到以避免受到短路所造成的破坏。

 隔离放大器的精确度
典型的隔离放大器整体精确度误差大约为几个%，基本上是由分别在常温(+25 °C)及超越操作温度范围的不同误差值所组成。

精确度受限于以下的组合：
? 电流为零时的DC偏压
? 增益误差
? 线性度
? 频宽限制

温度变化同时也会造成以下数值的漂移：
? DC偏压
? 增益
? 线性度

表一到表三分别以Avago的产品为例，列出了三个Σ-Δ隔离放大器与分流电阻器的性能表现。
　 参考电压误差 1%非线性度误差 0.01%分流电阻器误差 1%+25°C下的总误差 2.01%

对高达+85°C的操作环境温度：
　

偏压温度漂移造成的误差 0.75%参考电压温度漂移造成的误差 0.36%非线性度温度漂移造成的误差 0.14%分流电阻温度漂移造成的误差 0.3%温度漂移造成的总误差 1.55%

操作温度范围下整体未调校误差 3.56%操作温度范围下整体经调校*误差 2.56%

*经调校误差表示增益公差或参考电压(ΔGain或Vref)以及/或元件的偏压(VOS)已经过调校而去除后的误差。

表一：HCPL-7860隔离放大器搭配分流电阻器的性能表现。
　

偏压误差 0.5%增益公差误差 1%非线性度误差 0.0037%分流电阻误差 1%+25°C下的总误差 2.50037%

对高达+85°C的工作环境温度：
　

偏压温度漂移造成的误差 0.75%增益温度漂移造成的误差 0.19%非线性度温度漂移造成的误差 0.35%分流电阻温度漂移造成的误差 0.3%温度漂移造成的总误差 1.59%

操作温度范围下整体未调校误差 3.60%操作温度范围下整体经调校*误差 2.01%

*经调校误差表示增益公差或参考电压(ΔGain或Vref)以及/或元件的偏压(VOS)已经过调校而去除后的误差。

表二：HCPL-7800A Σ-Δ隔离放大器搭配分流电阻器的能表现。
　

偏压误差 0.25%Vref误差* 1%增益公差误差 3%非线性度误差 0.06%分流电阻误差 1%+25°C下的总误差 5.31%

*假设Vref公差为1%。

对高达+85°C的工作环境温度：
　

偏压温度漂移造成的误差 1.5%增益温度漂移造成的误差 1.8%非线性度温度漂移造成的误差 0.55%分流电阻温度漂移造成的误差 0.3%温度漂移造成的总误差 4.15%

操作温度范围下整体未调校误差 9.46%操作温度范围下整体经调校*误差 6.21%

*经调校误差表示增益公差或参考电压(ΔGain或Vref)以及/或元件的偏压(VOS)已经经过调校而去除后的误差。

表三：HCPL-7510 Σ-Δ隔离放大器搭配分流电阻器的效能表现。

 分流电阻选择注意事项
分流电阻的选择条件必须评估几个可能的取捨，包括：
? 增加感应电阻值(RSENSE)会提高感应电压(VSENSE)，使得偏压(VOS)以及输入偏差电流抵销(IOS)放大器误差较不明显。
? 大的感应电阻值会造成电压耗损以及电阻器的I2R功率消耗而降低电源效率。
? 在低侧量测时，大的感测电阻值会造成负载电压偏移，可能影响系统的EMI特性与杂讯敏感度。
? 如果电流含有高频率，就必须选用特殊低电感抗电阻。
? 感应电阻的功率规格必须事先考虑，因为I2R的功率消耗会造成本身发热以及分流电阻标称电阻值的变化。

为了能将使用隔离放大器的电流测量精确度最佳化，必须要选用具有良好公差、低电感脚位以及低温度系数的分流电阻，许多电阻制造商都提供有这类产品。

决定电流感应电阻的大小通常是在功率消耗最低与效率最佳化间做最佳权衡选择，较小的电流感应电阻可节省功率消耗，但较大的电流电阻值则因使用了隔离放大器的实际输入范围而能改善效率。

两端子的电流感应电阻对较低成本的应用来说已经足够，但对于较精确的应用则可能需要使用四端子的电阻，四端子的电流感应电阻提供有两个电流接触点以及透过感应端子与隔离放大器输入端间的Kelvin连接，用来测量电压的两个感应点。藉由採用四端子的电流感应电阻，所测得的电压为电阻本体两端的电压值，而不是经过较高电感脚位的电压。同时四端子电流感应电阻也拥有相当低的温度系数与热阻。  霍尔效应电流感应器
霍尔效应电流应器藉由霍尔效应IC侦测流经线路的电流所产生的磁场来进行电压输出，称为霍尔电压。霍尔效应电流感应器由于提供了非侵入式的测量方式，因此在使用上相当普遍。部份制造商更提供将磁性感应器与条件电路整合在单一封装内的产品，这些IC感应器提供类比输出电压，可直接连接微控制器ADC输入。

基本上，霍尔效应电流感应器可分为开放型迴路或封闭迴路，开放型迴路霍尔效应电流感应器包含一个核心(将感应到的电流所造成磁场放大)，和一个霍尔效应IC(侦测磁场并产生一个与感应到的电流成线性比例的电压)。和其他磁性材料一样，开放型霍尔效应电流感应器会有滞后误差，大幅影响偏移误差。

封闭型霍尔效应电流感应器则整合了其他的电路，并有次要绕线以去除磁通量来大幅改善精确度，但在成本上要比开放型高，它们同时也会由次要端电源消耗不少的电流，这个电源的主要目的是提供补偿与偏压电流。

基本上，要将相对较大外型和尺寸的霍尔效应电流感应器整合到高密度电路板上是一项挑战，而较高的厚度同时也代表了不易使用自动插件或无法使用标准的抓取置放式机器设备进行组装，霍尔效应感测器的第二个缺点是精确度会随着温度而起伏。  霍尔效应电流感应器的精确度
典型霍尔效应电流感应器的整体精确度在几个%，基本上是由数个分别在常温(+25 °C)以及整个操作温度范围的不同误差值所组成。

精确度受到以下条件总合的限制：
? 电流为零时的DC偏压
? 量测电阻、RIM(封闭型霍尔效应电流感应器)的公差
? 增益误差
? 线性度
? 频宽限制

温度变化同时也会造成以下数值的漂移：
? DC偏移
? 增益
? 测量电阻、RIM(封闭型霍尔效应电流感应器)的漂移
? 线性度
　 偏压误差 1%主要端电流精确度误差 1%线性度误差 1%+25°C下的总误差 3%

对高达+85°C的操作环境温度：
　

偏压温度漂移造成的误差 1%增益温度漂移造成的误差 1%温度漂移造成的总误差 1%

操作温度范围下整体未调校误差 11%操作温度范围下整体经调校*误差 10%

*经调校误差表示增益公差或参考电压(ΔGain或Vref)以及/或元件的偏压(VOS)已经过调校而去除后的误差。

表四：开放型迴路霍尔效应电流感应器的典型性能表现。
　

偏压误差 1%RIM公差误差 0.5%次要端绕线圈数误差 0.1%非线性度误差 0.1%+25°C下的总误差 1.7%

对高达+85°C的操作环境温度：
　

RIM温度漂移造成的误差 1.5%偏压温度漂移造成的误差 1.8%温度漂移造成的总误差 0.55%

操作温度范围下整体未调校误差 4%操作温度范围下整体经调校*误差 3%

*经调校误差表示增益公差或参考电压(ΔGain或Vref)以及/或元件的偏压(VOS)已经过调校而去除后的误差。

表五：封闭型迴路霍尔效应电流感应器的典型性能表现。

大体上来说，Σ-Δ隔离放大器与开放型迴路霍尔效应电流感应器在成本上较为接近，封闭型迴路霍尔效应电流感应器的成本则较高，主要的原因在于加入了额外的核心绕线以及去除磁通量的伺服放大器。

在室温下，不管是封闭型迴路或开放型迴路霍尔效应电流感应器都具备比隔离放大器更佳的精确度，但在整体操作温度范围下，霍尔效应电流感应器与隔离放大器则展现出相当明显的精确度效能表现差异，这是因为隔离放大器不会像霍尔效应电流感应器一样容易受到温度的影响。

透过调校，隔离放大器在精确度上具有明显的优势，霍尔效应电流感应器的滞后误差则无法经过调整来加以移除。（本文作者为Avago Technologies光通讯解决方案事业部应用工程师）
　

图一：典型的马达控制在电流和电压感应元件使用电阻器。