【導(dǎo)讀】利用電纜上的壓降可以測(cè)量長(zhǎng)電纜中流動(dòng)的大電流，但是銅的溫度系數(shù)（溫度補(bǔ)償系數(shù)）為+0.39%/°C，限制了測(cè)量精確度。本設(shè)計(jì)實(shí)例提出的解決方案利用了大電流電纜是由許多細(xì)股組成的這一事實(shí)，解決了其它溫度傳感器的主要問題，從而更好地感測(cè)整體溫度并實(shí)現(xiàn)完美的溫度補(bǔ)償。
利用電纜上的電壓降便可以測(cè)量長(zhǎng)電纜中流動(dòng)的大電流，而無(wú)需龐大的分流器或昂貴的磁測(cè)量方法。但是銅的溫度系數(shù)（溫度補(bǔ)償系數(shù)）為+0.39%/°C，這限制了測(cè)量精確度。
溫度傳感器可以做出補(bǔ)償，但僅限于點(diǎn)測(cè)量裝置，其相關(guān)性可能會(huì)因電纜長(zhǎng)度出現(xiàn)問題。要考慮到2.5°C的電纜溫度誤差或差異會(huì)引起1%的誤差。
如果在最大電流下至少有10mV的壓降，則可用現(xiàn)代零漂移放大器（自動(dòng)歸零，斬波器等）輕松測(cè)量。這些放大器提供超低偏移性能，可以精確感測(cè)滿量程低壓降。
剩下的就是如何處理溫度系數(shù)。本設(shè)計(jì)實(shí)例提出的解決方案利用了大電流電纜是由許多細(xì)股組成的這一事實(shí)，示例中的AWG 4電纜包含1050股AWG 34線。
在圖1中，運(yùn)算放大器非反相輸入檢測(cè)電纜負(fù)載端的電纜壓降。MOSFET處于輸出/反饋路徑中，這一路徑通過溫度感測(cè)線（通常是用于設(shè)置增益的電阻），在電源處結(jié)束。電路迫使該增益設(shè)置元件出現(xiàn)壓降，且壓降正好等于主電纜壓降。這種情況下，增益設(shè)置元件是嵌入在定制絕緣電纜組件（包括大電流電纜）內(nèi)的34號(hào)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格線的單股絕緣線（包漆，如電磁線）。
圖1：使用比例電纜實(shí)現(xiàn)大電流測(cè)量溫度補(bǔ)償。
AWG 34 = 265.8Ω/1000ft
AWG 4 = 0.248Ω/1000ft （來源：http://www.brimelectronics.com/AWGchart.HTM） 例如，0.474 ft. 4號(hào)線 = 117.6 µΩ；10 mV 壓降
由于電纜由1050股線組成，電流會(huì)流入MOSFET和增益元件，正比于總電流除以1050。增益元件和電纜均由銅構(gòu)成，并且處于緊密的熱接觸中，抵消了輸出隨溫度的變化。
反饋電流流出MOSFET漏極，通過
接地，提供接地參考輸出電壓。
接地，提供接地參考輸出電壓。線股解決了其它溫度傳感器的兩個(gè)主要問題：
- 導(dǎo)線是跨越整個(gè)電纜的“分布式”傳感器，能更好地感測(cè)整體溫度情況；
- 導(dǎo)線和主電纜一樣為銅材料，可實(shí)現(xiàn)完美的溫度補(bǔ)償。
實(shí)際測(cè)試
我們使用四英尺長(zhǎng)的JSC 1666 AWG 4電纜進(jìn)行測(cè)試。沿電纜長(zhǎng)度方向切開絕緣層，將34號(hào)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格電磁線插入絕緣層。電路中使用了NCS333運(yùn)算放大器。由于運(yùn)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(yīng)該是零漂移（斬波器）放大器，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)軌到軌運(yùn)算放大器在正軌附近的性能通常較差。
圖2：測(cè)試裝備。由于感測(cè)線長(zhǎng)度影響絕對(duì)精度，因此將其連接到電路板的兩根灰色電線為較重規(guī)格。
測(cè)量值
空載時(shí)，
讀數(shù)為94µV；
讀數(shù)為94µV；10A負(fù)載下，
= 454.6mV（5.85%誤差）；
= 454.6mV（5.85%誤差）；58A負(fù)載下，
= 2.604V（5.7%誤差）。
= 2.604V（5.7%誤差）。將測(cè)試裝備放入溫控柜中，在室溫至100°C溫度范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試。顯示的附加誤差小于0.1%。有幾個(gè)因素可能會(huì)導(dǎo)致該誤差，例如運(yùn)算放大器偏移漂移，以及電纜終端的電阻和熱電偶效應(yīng)。
造成誤差的電線公差
為了解實(shí)際電纜結(jié)果會(huì)怎樣，我列出了以下電線數(shù)據(jù)，顯示34號(hào)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格電線有2%的公差。人們會(huì)認(rèn)為4號(hào)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格電線的總體公差也差不多。這表明根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)公差制造的商業(yè)電線僅僅因?yàn)殡娎|本身的原因，就會(huì)產(chǎn)生4%的精確度限制。電子設(shè)備還有其它一些限制因素也會(huì)影響精確度，不過用戶當(dāng)然會(huì)進(jìn)行調(diào)整，或者與使用的電纜匹配。
圖3：電線數(shù)據(jù)。（來源：weicowire.com）
最后需要注意的是，制造實(shí)現(xiàn)此功能的電纜似乎很麻煩。這個(gè)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制電纜作為增益電阻。電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車有許多大電流電纜，OEM可以利用這一特點(diǎn)消除大的分流。這種方法提供的精確度和溫度性能，相對(duì)磁感測(cè)來說確實(shí)具有競(jìng)爭(zhēng)力，而且成本較低，特別是在OEM量產(chǎn)的情況下。
在小批量的情況下，將感測(cè)線包裹或捆扎在電纜外側(cè)，仍會(huì)具備分布式溫度感測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。由于電纜絕緣，在耦合更弱且實(shí)際電纜銅溫度的時(shí)間常數(shù)更長(zhǎng)的情況下，感測(cè)對(duì)環(huán)境溫度更為敏感。
本文轉(zhuǎn)載自電子技術(shù)設(shè)計(jì)，作者：Jerry Steele，安森美半導(dǎo)體公司。
推薦閱讀：
