使用銅對大電流測量進行溫度補償

2021-01-08 EDN電子設計技術

利用電纜上的電壓降便可以測量長電纜中流動的大電流，而無需龐大的分流器或昂貴的磁測量方法。但是銅的溫度係數（溫度補償係數）為+0.39%/°C，這限制了測量精確度。6pjednc

溫度傳感器可以做出補償，但僅限於點測量裝置，其相關性可能會因電纜長度出現問題。要考慮到2.5°C的電纜溫度誤差或差異會引起1%的誤差。6pjednc

如果在最大電流下至少有10mV的壓降，則可用現代零漂移放大器（自動歸零，斬波器等）輕鬆測量。這些放大器提供超低偏移性能，可以精確感測滿量程低壓降。6pjednc

剩下的就是如何處理溫度係數。本設計實例提出的解決方案利用了大電流電纜是由許多細股組成的這一事實，示例中的AWG 4電纜包含1050股AWG 34線。6pjednc

在圖1中，運算放大器非反相輸入檢測電纜負載端的電纜壓降。MOSFET處於輸出/反饋路徑中，這一路徑通過溫度感測線（通常是用於設置增益的電阻），在電源處結束。電路迫使該增益設置元件出現壓降，且壓降正好等於主電纜壓降。這種情況下，增益設置元件是嵌入在定製絕緣電纜組件（包括大電流電纜）內的34號標準規格線的單股絕緣線（包漆，如電磁線）。6pjednc


圖1：使用比例電纜實現大電流測量溫度補償。6pjednc

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AWG 34 = 265.8Ω/1000ft6pjednc

AWG 4 = 0.248Ω/1000ft
（來源：http://www.brimelectronics.com/AWGchart.HTM）
例如，0.474 ft. 4號線 = 117.6 µΩ；10 mV 壓降 @ Iin = 85A；Iout = 80mA。6pjednc

由於電纜由1050股線組成，電流會流入MOSFET和增益元件，正比於總電流除以1050。增益元件和電纜均由銅構成，並且處於緊密的熱接觸中，抵消了輸出隨溫度的變化。6pjednc

反饋電流流出MOSFET漏極，通過RLoad接地，提供接地參考輸出電壓。6pjednc

線股解決了其它溫度傳感器的兩個主要問題：6pjednc

1.導線是跨越整個電纜的「分布式」傳感器，能更好地感測整體溫度情況；2.導線和主電纜一樣為銅材料，可實現完美的溫度補償。

實際測試

我們使用四英尺長的JSC 1666 AWG 4電纜進行測試。沿電纜長度方向切開絕緣層，將34號標準規格電磁線插入絕緣層。電路中使用了NCS333運算放大器。由於運算放大器共模電壓與其供電軌相等，因此必須具有軌到軌輸入能力（或使用更高的電源）。此外，它應該是零漂移（斬波器）放大器，因為標準軌到軌運算放大器在正軌附近的性能通常較差。6pjednc


圖2：測試裝備。由於感測線長度影響絕對精度，因此將其連接到電路板的兩根灰色電線為較重規格。6pjednc

6pjednc測量值

RLoad = 50Ω 1%6pjednc

空載時，Vout讀數為94µV；6pjednc

10A負載下，Vout = 454.6mV（5.85%誤差）；6pjednc

58A負載下，Vout = 2.604V（5.7%誤差）。6pjednc

將測試裝備放入溫控櫃中，在室溫至100°C溫度範圍內進行測試。顯示的附加誤差小於0.1%。有幾個因素可能會導致該誤差，例如運算放大器偏移漂移，以及電纜終端的電阻和熱電偶效應。6pjednc

造成誤差的電線公差

為了解實際電纜結果會怎樣，我列出了以下電線數據，顯示34號標準規格電線有2%的公差。人們會認為4號標準規格電線的總體公差也差不多。這表明根據標準公差製造的商業電線僅僅因為電纜本身的原因，就會產生4%的精確度限制。電子設備還有其它一些限制因素也會影響精確度，不過用戶當然會進行調整，或者與使用的電纜匹配。6pjednc


圖3：電線數據。（來源：weicowire.com）6pjednc

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最後需要注意的是，製造實現此功能的電纜似乎很麻煩。這個概念是由OEM提出，目的是讓OEM可以指定包含一股漆包線的定製電纜作為增益電阻。電動和混合動力汽車有許多大電流電纜，OEM可以利用這一特點消除大的分流。這種方法提供的精確度和溫度性能，相對磁感測來說確實具有競爭力，而且成本較低，特別是在OEM量產的情況下。6pjednc

在小批量的情況下，將感測線包裹或綑紮在電纜外側，仍會具備分布式溫度感測的優點。由於電纜絕緣，在耦合更弱且實際電纜銅溫度的時間常數更長的情況下，感測對環境溫度更為敏感。6pjednc

作者：Jerry Steele，安森美半導體公司6pjednc

《電子技術設計》2018年1月刊版權所有，轉載請註明來源及連結。6pjednc

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