概述

電流傳感器主要用于檢測電流、電機轉子位置和速度，是優化電機控制系統的重要環節。隨著AMR傳感器技術的發展，目前已可以將傳感器和信號處理電路集成到單個芯片中，顯著提高了電流傳感的精度、可靠性和性價比。

拓展電動化在現實場景中的應用，需要先進的電源管理方法來降低功耗和優化功能。

最新的電子系統，由于產品功率和功能不斷提升，導致對效率、精度、可靠性和安全性的要求越來越高，而這也給電子設計工程師們帶來了不少壓力：在落實產品開發、優化控制等解決方案時，一方面要確保以經濟高效的方式滿足應用程序的性能需求，同時還要滿足其在監管環境下的性能需求。

而當我們談到最新的電子系統時，不得不提到無刷直流電動機，因其具備高可靠性和長使用壽命等特點，目前已成為工業自動化、汽車、醫療和保健設備的主要部件。

想要充分利用這些電機的性能，合理優化的驅動電路就顯得至關重要，它需要快速而精確的電流檢測，并以此提供狀態反饋來確定電機運行情況。無刷直流電動機是同步裝置，因為定子磁鏈和電機相電流必須與轉子位置保持同步。為了使電機正常運行，必須監測定子中的磁通量，這可以通過監測電流大小來實現。而電流反饋必須快速精確，才能準確控制電機相電流。

如果驅動電流和反電動勢(CEMF)不同步，則無刷直流電動機無法有效運行，甚至可能會停止，這就是必須要監測電機電路中電流的另一個重要原因。另一種監測電機的方法，是采用矢量控制，也叫做磁場定向控制。即在電機控制和機器人技術中，使用反電動勢產生的電壓來推斷電機的旋轉速度，這是一種用于實現三相系統磁通和轉矩的解耦控制的數字技術，該算法基于對電機電流的嚴格控制，所以必須高精度實時檢測電機電流，從而優化電機控制。

現代電機控制系統需要精確的、信號完整的反饋，以便正確執行所需的系統控制信號，正確處理驅動系統參數如速度和扭矩，同時提供系統穩定性。而正確的解決方案，是只針對差分信號進行測量，抑制PWM周期引起的共模瞬態信號，從而實現精確的反饋和控制。

沒有反饋就沒有精度

電流傳感器是優化電機控制系統的關鍵元件之一，用于檢測旋轉電機的電流、位置和速度。

在電機控制系統中，主要有三種電流檢測方式，即高壓側檢測、低壓側檢測及在線檢測，每種方法都各有其優點。例如，當使用脈沖寬度調制（PWM）信號驅動電機時，由于共模瞬態（dV/dt），很難獲得準確的測量值；在三相電機系統中，由多相PWM信號驅動負載。

一般來說，由于缺少電刷等因素，無刷電機比有刷電機效率更高，它的電機是電動換向而不是機械換向；同時，電動換向實行無火花操作，沒有機械磨損部件，因此能更好地延長產品壽命。當然，為了達到最高效率，電機就會越復雜，控制電子設備也就越精密。

最傳統的方法，便是使用分流電阻器作為電流傳感器，通過測量電路中的電壓降來確定流過電路的電流。雖然電阻提供了良好的動態性能和線性度，但使用分流電阻器在高電流和低電流都有局限性。我們當然可以使用有源補償來克服這些限制，但在大電流下，分流器本身的功耗已成為一個日益嚴重的散熱管理問題。此外，由于分流傳感器是通過觸點安裝，這又增加了系統的復雜性和電路故障率。

當電流通過導線時，會產生一個等比例的磁場，而各向異性磁電阻(AMR)電流傳感器正是利用這一自然特性來測量電流。

為了使AMR傳感器測量與其方向平行的磁場大小，通常會在AMR材料上使用U形導體，導體上流過電流，并在周圍產生磁場。而AMR傳感器則位于與芯片對稱軸等距的載流導體頂部，AMR就可以檢測出平行磁場的大小。

圖注：AMR傳感器是使AMR材料放置于U型導體上并測量出平行磁場大小

隨后，傳感器將磁場量轉換為電壓。AMR技術使用坡莫合金，這是一種鎳和鐵的合金，在磁場作用下，其電阻與磁場會成比例地變化。傳感器與電機驅動電路的唯一媒介，是它所測量的磁場，所以AMR芯片就像變壓器一樣是電隔離的。

由于AMR電流傳感裝置是非接觸式的，比如新納的電流傳感器，因此能提供無功耗的隔離的電流檢測。此外，通過主動反饋回路偏移，使電路能夠調整增益參數并主動補償傳感器偏移，從而實現更精準的輸出。新納的電流傳感器在用于復雜電力系統（如復雜精密電機驅動器）時，與傳統的（使用分流器或運算放大器和比較器）板級解決方相比，新納的集成方案將以更小的PCB面積提供所需的性能。

圖注：新納基于AMR的電流傳感解決方案與其他類型的電流傳感技術相比具有多種優勢

最新的AMR傳感器技術，可以將傳感器和信號處理電路集成到單個芯片中，以經濟高效的方式顯著提高了電流傳感的準確性和可靠性。在最新的電機控制系統中，控制回路中使用了多個傳感器，并通過檢測可能的電機損壞故障情況來改進保護電路。

電路保護至關重要

在電機控制系統中，性能優異的電流傳感器的另一個重要作用，是優化驅動電機保護電路。就下一代高性能產品而言，要確保電機系統更快的速度、更高的功率水平和長時間運行，這需要用最佳的電路保護解決方案來保駕護航。在現代系統中，由于高頻和高功率的要求，需要實時監控各個關鍵環節，傳統 “熔斷”保險絲已不適用于在這些電路中使用。

過流檢測，不僅僅是大功率電路保護應用必備的（如電機驅動器），它還對系統中的其他電路至關重要。大多數電機中都有位置傳感器和角度傳感器，而這些子系統很容易受到外部干擾及供電異常的影響。在復雜的電機應用中，使用保險絲進行電路保護并不能提供任何設備實時數據，這不利于工程師排除問題并找到新的解決方案。

實際上，在一個電機系統中，任何供電電路都可以通過使用電流傳感器來優化過流檢測響應。整個系統的安全性至關重要，像新納的AMR電流傳感解決方案，因為它的響應速度快，電流測量范圍也很寬，所以能夠很好地解決過流檢測問題。由于AMR電流傳感器本身是隔離的，因此在電路的高壓側和低壓側都可以使用，從而提高了最終產品的性能和可靠性。

新納電流傳感器是非接觸式的，具備隔離、無功耗和快速輸出等特點，同時通過主動反饋回路偏移，來調整增益參數并主動補償傳感器偏移。電流檢測是系統過流和欠壓保護的關鍵點，利用AMR傳感器進行智能化故障管理，還可以解決如用戶錯誤操作、電纜和連接器輕微損壞等引起的性能和安全問題。

利用高性能AMR電流傳感器智能化監測電機驅動器，可以保護電路和其中的電機免受有意無意的電路問題的影響。例如，在高壓側使用新納 AMR電流傳感器，可以檢測相電流的接地故障（可能是由于接線錯誤、老化等原因），從而保護整個電路。

在電動系統中，功率和發熱密不可分，無論是電功效率還是機械效率。而先進的電流傳感技術使電路盡可能高效，減少熱量損耗，也更容易處理系統遇到的可能增加的任何外部熱量。

性能優勢

圖注：功率因數校正（PFC）提高了功率因數比，從而改善了電能質量，減輕了電網壓力，提高了設備的能效，同時降低了電力成本

電能質量是高性能電機產品高效運行的關鍵因素，而系統的功率因數是其重要組成部分。功率因數校正（PFC）可提高功率因數比，從而改善電能質量，減輕電網壓力，提高設備的能效，同時降低電力成本。在電路的低壓側使用先進的電流傳感可以提高有功功率。當然，外形也是一個需要考慮的因素，尤其是在消費和軍用/航空應用中，使用新納的集成AMR電流傳感器減少了所需的零件數量和電路板空間。

共模瞬變可能會產生過沖和欠壓現象，這可能會由于一系列因素導致整體系統效率降低等問題，這些因數包括錯誤觸發、控制電流波動以及扭轉矩波動（電機旋轉時轉矩輸出的周期性變化）。引起這些問題的一大原因，便是每個相位的各個繞組存在輕微的不一致，所以精確的電機結構是解決問題的第一步。此外，解決該問題的最佳方法，是通過高精準地測量電流來相應調整扭矩，達到動態控制系統。

基于AMR的解決方案不僅在尺寸上優于分流器，而且效率更高，產生的熱量更低。此外，與基于Hall的系統相比，AMR芯片具有高帶寬，其采樣率更高，成本更低。AMR傳感的另一個優點，就是它不僅僅跟蹤電流變化，還可以進行絕對值測量，因此也非常適合大功率電氣設備應用，如電機控制。

不斷向前發展

在電機控制應用中，電流檢測是電機反饋的基礎，可以使用幾種結構拓撲來開發這種電流傳感器，它們各有利弊。基于AMR的電流傳感解決方案不僅可以解決性能、可靠性和安全性等問題，還有助于解決電路保護、成本效益、外形尺寸和其他重要的設計問題。

編輯：黃飛

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