如何選擇並運用智慧電流感測和監測技術（而非保險絲）

傳統來說，為了保護產品設計免於受到過電流影響，必須加入電路內保險絲。通常是採用電阻，會在過多電流通過時發熱並融化，造成開路並中斷電流流動。然而，保險絲並非完善的解決方案，而且替換作業耗時且昂貴，尤其是遠端地點時。

即時監測電流是更為縝密的解決方案，以便預先偵測潛在的過電流情形，並採取適當的預防措施。本文將探討建置過電流偵測系統的基本原則與元件、錯誤的來源與避免方法，以及使用範例。

電流監測技術

依照要量測的電流類型（AC 或 DC）和大小，有幾種技術可用來監測電流。

若直接量測，量測的電流會流經測量裝置，可使用分流器電阻或是電晶體。此方法能促成小型、低成本的解決方案，並具有高準確度；若情況允許，通常會採用。

許多應用必須使用間接電流量測，此方法可在載流導體和測量裝置之間提供電流隔離。此間接方法可量測電流相關參數，例如線圈電流產生的磁場。

此技術具有高準確度，但若考慮用來取代絕大多數過電流應用中的保險絲，則太過複雜且昂貴。有鑒於此，我們將探討三種直接量測方法，使用電流感測電阻或功率 MOSFET 作為感測要件。

雖然額外提升精密度可能會增加物料清單成本，但是在某些情況下可能已有現成可用的電路，例如尚未使用的微控制器能力，因此只要少許成本就可增加功能性。除此之外，在總持有成本 (TCO) 考量下，若能省下到遠端位置更換保險絲的交通費用，增加的這筆成本仍然值得。

使用電流感測電阻直接量測

最簡單直接的方法就是使用分流器（串聯）電流感測電阻量測電流，這是一種兼具簡易性和線性優點的直接方法。根據歐姆定律 V = I x R，電阻兩端的電壓代表電流大小。

Vishay針對汽車電池管理等高電流精確應用提供專門的分流器電阻，如 WSBS8518L1000JK，可作為獨立零件，也可整合到模製外殼 (WSBM8518L1000JK) 中，以簡化 PC 板連接（圖 1）。

圖 1：量測電流最簡單直接的方法就是使用分流器（串聯）電流感測電阻，例如 Vishay Dale 的 WSBS8515L100JK 離散式精密分流器電阻（圖上）及其相關外殼（圖下）。（圖片來源：Vishay Dale）

此外殼涵蓋一個 4 引腳母座，可與標準 Molex 連接器配接。電阻值可以低至 100 µΩ，電感值小於 5 nH，且電阻溫度係數 (TCR) 小於 ±20 ppm/ºC。

高側及低側偵測

若使用分流器電阻，您可以將其插入負載與回路之間（低側感測），或是負載與電源供應器之間（高側感測）。由於分流器電阻參考接地，且可以使用標準運算放大器進行緩衝，因此低側感測具有簡易及低成本的優勢。 但有個缺點在於，低側感測器無法偵測負載低側的電路是否為開路或短路。分流器電阻也會增加接地路徑的電阻值，在某些應用中這是無法接受的。

高側感測並不會造成任何接地干擾，但分流器電阻的每一側會有共模電壓，可能會超出標準運算放大器的共模範圍，或者是超出電源電壓。

分流器電阻 IC

市面上有許多款專為偵測過電流狀況所設計的 IC，例如 Texas Instruments 的 INA300 電流感測比較器。INA300 以 5 V 電源操作，但能夠適應最高 36 V 的共模電壓。過電流閾值可調整，並且可由數位類比轉換器 (DAC) 或外部電阻進行設定。反應時間可在 10 μs 到 100 μs 之間變動。警告輸出引腳會在過電流狀況後遵循輸入狀態（透通模式）或閂鎖。在閂鎖模式下，系統的微控制器會清除閂鎖，以確認收到警告。

圖 2：Texas Instruments 的 INA300 具有多項功能，包含可編程的閾值電壓及反應時間，可保護元件不受過電流狀態所影響。（圖片來源：Texas Instruments）

雖然任何電流控制應用都能夠藉由比較電流與系統微控制器內的參考值，來整合過電流偵測功能，但對於像是工業用馬達控制與 DC/DC 轉換器之類的應用而言，則可能需要高速過電流偵測功能，以避免對下游元件造成損害。

圖 3 中顯示了具有獨立高速保護電路的電流控制系統。Analog Devices 的 AD8211 會放大各個分流器電阻間的電壓，並且對控制迴路供應回授訊號。該元件會拒絕最高達 65 V 的共模電壓，並會提供一個接地參考且經過緩衝處理的輸出，適用於連接至類比數位轉換器 (ADC)。

圖 3：AD8211 及 AD8214 會共同形成電流監測與偵測系統，可以在少於 100 ns 的時間內因應過電流狀況。（圖片來源：Analog Devices Inc.）

防護功能是由 Analog Devices 的另一個零件 AD8214 所提供。這是一個能快速反應並具有高共模電壓的分流比較器，能夠在短至 100 ns 的時間內提供過電流偵測訊號。AD8214 具有內部齊納穩壓器，因此能夠在高達 65 V 的電源電壓下運作。

錯誤來源

對於低電流應用來說，的確能將成本降至最低，並且使用標準的功率電阻作為分流器來量測電流，但分流器的容差會直接影響過電流偵測的準確度。較高的電阻值會提升訊號強度，但也會產生更多的熱量，並且可能會因為需要使用散熱片或其他熱管理方法而導致額外的成本。

若使用分流器電阻作為控制系統的一部分（如圖 3 所示），電壓訊號將具有較大的動態範圍，因此會偏好使用具有低容差及低電阻溫度係數 (TCR) 的精密電阻。 

根據 Rds_(ON) 進行電流感測

偵測過電流狀另一個的方法就是摒棄分流器電阻，而是使用功率 MOSFET 本身作為感測元件。圖 4 顯示了 Infineon 的 AUIR3200S MOSFET 驅動器，其中包含短路防護。

圖 4：AUIR3200S 是 MOSFET 驅動器，整合了過電流偵測及溫度補償功能。（圖片來源：Infineon Technology）

該元件會偵測整個功率 FET 的壓降，這是 FET 負載電流及 RDS_(ON) 的造成的效果。MOSFET 啟動時，來源 V_S 的電壓由下列指出：

V_S 是輸入到 AUIR3200S 電源引腳的電壓，會與參考電壓 V_DS 進行比較。

I_VDS 設定為 1 mA，具有內部電流來源，因此 R_VDS 可有效決定 V_DS 的值。V_BAT 也會變動，特別是在汽車應用當中，但不會影響兩個電壓的比較。

當過電流狀況發生時，V_S 會超過 V_DS，因此會觸發內部比較器並且關閉 MOSFET。

若要減少錯誤，應選擇低容差值的 R_VDS。功率 MOSFET 的 RDS_(ON) 值對汲極電流極不敏感，但是會隨著接點溫度 TJ 的上升而增加。為了對此進行補償，AUIR3200S 的 I_VDS 電流來源中納入正溫度係數的設計。請注意，AUIR3200S 的安裝位置應盡可能靠近 MOSFET，有助於讓兩個元件的溫度相近。

在高電流應用中直接量測

針對高電流應用，分流器電阻可能會產生過多熱量而失效，特別是在汽車引擎蓋內模組等高溫環境中。在此情況下，分流 MOSFET 是可行方案之一，能以低損耗的方式進行電流量測。 

分流 MOSFET 的運作方式為何？現代化功率 MOSFET 是由數千個相同的電晶體單元並聯而成，能將整體導通電阻 (RDS_(ON)) 降至最低。電流感測 MOSFET 會使用這些並聯單元的一小部分形成第二個低功率 MOSFET（也稱為 senseFET），具有共用的閘極和汲極，但源極獨立作為 SENSE 引腳，因此與電源裝置隔離。圖 5 顯示等效電路。

圖 5：電流感測 MOSFET 的等效電路，能夠在高電流應用中用於直接量測。（圖片來源：NXP Semiconductors）

當主電源電晶體啟動時，SENSE 引腳會輸出電流 I_SENSE，且與主電流 Iload 成比例：典型比例為 1:500（0.2%）。

圖 6 顯示搭配電路感測 MOSFET 使用的典型電路。雙通道運算放大器電路會將 I_SENSE 轉換為系統微控制器的電壓輸入。

圖 6：分流 MOSFET 介接至系統微控制器。（圖片來源：NXP Semiconductors）

IXYS 的 IXTN660N04T4 就是用於高電流應用的 N 通道電流感測 FET 例子之一。此元件能夠處理高達 660 A 的汲極電流。

電流監測電路的準確度取決於 R_SENSE 的容差，但若要用來取代保險絲，5% 或 10% 就已非常足夠。典型電流感測 FET 的感測輸出具有 ±5% 的變動，但再次強調，對於過電流或短路情形來說，這已經非常足夠。圖 6 中的電流訊號 V_OUT 具有類比本質，並連接到類比數位轉換器 (ADC) 輸入端，但外部電路可以輕易修改，以便產生數位過電流訊號。

結論

為了提供過電流與短路防護，設計人員除了使用簡單的保險絲之外，還有許多其他選項。即便增加複雜性可能會增加物料清單成本，但在總持有成本 (TCO) 的考量下，這筆增加的成本仍然是值得的投資，而且總成本會在產品的生命週期間逐漸下降。