電流檢測(cè)是電子系統(tǒng)評(píng)估、控制和診斷的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。無(wú)論是在設(shè)計(jì)、測(cè)試還是維護(hù)電子設(shè)備時(shí)，精確測(cè)量電流都至關(guān)重要。本文將深入探討電流檢測(cè)的基本原理以及在實(shí)際操作中容易忽視的細(xì)節(jié)問題。

電流檢測(cè)的基本原理

電流檢測(cè)的基本原理主要基于電磁感應(yīng)和電阻采樣兩種方法。

1. 電磁感應(yīng)法

電磁感應(yīng)法利用法拉第電磁感應(yīng)定律，即變化的磁場(chǎng)會(huì)在閉合線圈中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。電流互感器是電磁感應(yīng)法的典型應(yīng)用。當(dāng)被測(cè)電流通過導(dǎo)線時(shí)，會(huì)在周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，電流互感器中的磁芯會(huì)聚集這個(gè)磁場(chǎng)。當(dāng)電流變化時(shí)，磁場(chǎng)也隨之變化，從而在電流互感器的線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。這個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與被測(cè)電流的大小和變化率相關(guān)，通過對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的測(cè)量和適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換，就可以得到被測(cè)電流的信息。

另一種電磁感應(yīng)法是使用電流探頭，電流探頭中的磁芯會(huì)聚集被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)在磁芯上的線圈中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，通過對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的測(cè)量，可以得知被測(cè)電流的大小。對(duì)于直流電流的測(cè)量，一些電流探頭采用霍爾效應(yīng)原理，霍爾元件放置在磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流通過時(shí)，會(huì)在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上產(chǎn)生霍爾電壓，這個(gè)霍爾電壓與被測(cè)直流電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，從而可以測(cè)量直流電流。

2. 電阻采樣法

電阻采樣法利用歐姆定律，即電流通過導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體兩端的電壓與電流成正比。將低阻值的精密電阻器(通常稱為分流器)置于電流路徑中，電阻器兩端產(chǎn)生的電壓與通過它的電流成比例。由于分流電阻器不應(yīng)該顯著影響電流，其阻值通常非常小，毫歐級(jí)或更低。分流電阻器兩端產(chǎn)生的電壓雖然很小，但可以通過放大器放大后測(cè)量，或者直接使用高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)進(jìn)行采樣。

容易忽視的細(xì)節(jié)

在實(shí)際電流檢測(cè)過程中，有幾個(gè)細(xì)節(jié)問題往往容易被忽視，但它們對(duì)測(cè)量精度和系統(tǒng)的可靠性至關(guān)重要。

1. 量程選擇與精度

量程的選擇直接影響測(cè)量精度。量程設(shè)置過大，會(huì)降低檢測(cè)精度;量程設(shè)置過小，則容易觸發(fā)過流保護(hù)。因此，需要根據(jù)被測(cè)電流的峰值來(lái)設(shè)置量程的上限，通常設(shè)置為峰值的2倍左右。此外，選擇合適的AD輸入電壓范圍和提高AD分辨率也是保證采樣精度的關(guān)鍵。

2. 運(yùn)放問題

在電流檢測(cè)中，運(yùn)算放大器(運(yùn)放)對(duì)信號(hào)的處理至關(guān)重要。然而，運(yùn)放會(huì)帶來(lái)零漂和溫度問題。零漂問題表現(xiàn)為運(yùn)放沒有輸入時(shí)，輸出口仍有一個(gè)微小電壓，這會(huì)影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。溫度問題則是由于運(yùn)放的零漂隨溫度變化而變化，因此需要在不同溫度下進(jìn)行校準(zhǔn)。

3. 電氣隔離

電氣隔離是保障設(shè)備安全和提高電路抗干擾能力的重要手段。霍爾傳感器、電流互感器、羅氏線圈法和TMR電流傳感器法具有天然的隔離特性。對(duì)于電阻采樣法，需要采用隔離運(yùn)放或調(diào)制器進(jìn)行電氣隔離。常見的隔離方法有線性光耦隔離、通過采樣芯片實(shí)現(xiàn)隔離以及通過隔離放大器實(shí)現(xiàn)隔離。

4. 采樣延遲與干擾

電流采樣到驅(qū)動(dòng)開關(guān)管之間存在多個(gè)延遲源，包括PWM死區(qū)時(shí)間插入、光耦隔離延遲、開關(guān)延遲、放大器延遲、低通濾波器延遲和ADC延遲等。這些延遲疊加在一起，會(huì)導(dǎo)致采樣時(shí)間窗口縮短，影響電流采樣的準(zhǔn)確性。此外，磁場(chǎng)干擾和運(yùn)放差模、共模干擾也是影響電流檢測(cè)精度的重要因素。

5. 電阻采樣的特殊注意事項(xiàng)

電阻采樣法雖然成本較低且不受磁場(chǎng)影響，但在實(shí)際應(yīng)用中需要注意以下幾點(diǎn)：

采樣電阻必須足夠小(一般不超過1歐姆)，精度足夠高(一般在1%以內(nèi))，溫漂足夠小。

需要選取無(wú)感電阻，避免感抗分壓。

焊接后需要對(duì)采樣電阻阻值重新測(cè)量，通常采用開爾文接法以減少引線電阻的影響。

6. 三相與兩相檢測(cè)的差異

在三相系統(tǒng)中，可以通過扇區(qū)確定哪一相的采樣窗口小，從而通過三相電流之和為零的關(guān)系，把采樣窗口小的那一相電流重新計(jì)算出來(lái)。而兩相檢測(cè)則必須直接使用采集出的電流值，因此必須保證采樣窗口足夠大，以避免缺相故障無(wú)法檢測(cè)出來(lái)。

結(jié)論

電流檢測(cè)是電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)和維護(hù)中的重要環(huán)節(jié)，其基本原理主要基于電磁感應(yīng)和電阻采樣兩種方法。在實(shí)際操作中，需要注意量程選擇與精度、運(yùn)放問題、電氣隔離、采樣延遲與干擾以及電阻采樣的特殊注意事項(xiàng)等細(xì)節(jié)問題。只有充分考慮這些細(xì)節(jié)，才能確保電流檢測(cè)的準(zhǔn)確性和系統(tǒng)的可靠性。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電流檢測(cè)的方法和手段也將不斷優(yōu)化和拓展，為更多的電氣和電子應(yīng)用提供更強(qiáng)大的支持。