智慧型電流感測器，適用於隔離式高電流應用 (100 A 至 1000 A)

高功率 UPS 系統、板載充電器、牽引逆變器、燃料電池、電池系統等應用在高共模電壓時，需要準確的電流量測。傳統上，這些系統在小於 50 A 時使用分流器架構電流量測解決方案；在大於 50 A 時，使用霍爾架構解決方案。

隔離式電流量測方法論

Texas Instruments 的文章《比較在油電混合車／電動車中的分流器和霍爾架構隔離式電流感測解決方案》，作者為 Krunal Maniar，將說明使用隔離式高電流量測技術的電動車應用。最常見的方法為使用隔離式放大器或隔離式調變器的分流器架構，或者使用開迴路或閉迴路霍爾感測器的霍爾架構，如圖 1 所示。

圖 1：隔離式電流量測方法 (圖片來源：Texas Instruments)

一般而言，分流器架構系統較容易實作，這是由於相較於霍爾架構，此方法具有更高線性度和更高的電流量測準確度。表 1 在數個類別中，比較這兩種技術展現的特性。

表 1：分流器架構和霍爾架構方法的比較 (資料來源：Texas Instruments)

高功率應用、效率需求的增加、電動車 (EV) 和油電混合車 (HEV) 成長的全球市場，都需要更高的電流量測準確度，促成更高的電流隔離分流器量測解決方案。

Riedon 的 SSA 隔離式智慧電流量測技術

Riedon 的 SSA 智慧電流感測器整合一個含隔離式精密放大器高功率的低電阻分流器。提供 100 A 至 1000 A 電流量測範圍的型號。主要特點包含 1500 V_DC/1000 V_AC RMS 強制隔離、±0.1% 初始準確度、±0.1% 線性過電流範圍、單極電源供應、差動類比輸出、300 kHz 頻寬。此感測器的功能圖如圖 2 所示。

圖 2：智慧電流感測器功能圖 (圖片來源：Riedon)

實體結構包含一個功率匯流排和一個隔離式感測器，以及圍繞匯流排中心的外罩如圖 3 的 SSA-250 所示。JST 的 JWPF 系列四引腳連接器為密封感測器提供至 (1) 電源、(2) 接地、(3) +Vin、(4) –Vin 的介面。對應的配接連接器為 JST 類型 J04R-JWPF-VSLE-S (外罩) 和 SWPR-001T-P025 (觸點)。

圖 3：SSA-250 (圖片來源：Riedon)

Riedon 的 SSA 系列包含四種電流額定值：100 A、250 A、500 A、1000 A。(註：1000 A 型號使用更寬的匯流排，具有四個安裝孔。)

選用安裝五金和纜線組件

為了易於安裝，可選用安裝固定座 SSA-BASE，適用於 SSA-100 至 SSA-500，如圖 4 所示。其採用 UL 94-V0 等級材料並使用 5/16-18 不鏽鋼五金。

圖 4：SSA-BASE (圖片來源：Riedon)

選用的連接器纜線組件 SSA-CABLE-1M，如圖 5 所示。相容於所有 SSA 型號，標準纜線長度為 1 m。

圖 5：SSA-CABLE-1M (圖片來源：Riedon)

此纜線組件使用 JST 配接連接器，適用於 SSA-xxx 型號，以及兩條具有顏色編碼的 22 線規雙絞線對。一條雙絞線對 (紅／黑) 用於感測器電源和接地連接，另一條 (黃／白) 用於差動 (+) 和 (-) 放大器輸出訊號。

100 A 藍牙無線電流感測器概念驗證專案

此專案的範疇為使用 Riedon 的 SSA-100 感測器和現成五金，開發概念驗證 100 A 藍牙無線電流感測器。針對主要控制器和藍牙連線，我用了 Adafruit 的 nRF52840 Feather Express 板。我之所以選擇此板件，是由於其內建藍牙並支援 CircuitPython 編程。我在我的微控制器架構專案中開始使用 CircuitPython，是因為其功能強大、容易使用、提供多平台，並具有豐富的 Adafruit 函式庫／範例支援。SSA-100 感測器的電流訊號由 12 mV/A 差動類比電壓表現，因此我添加了 Adafruit 的 ADS1115 ADC 分接板。此 ADC 提供四通道、16 位元準確度、可編程增益、I²C 介面和差動輸入能力。圖 6 展示五金和 Riedon 電流感測器的佈線光繪檔。

圖 6：藍牙電流感測器 Scheme-it 光繪檔 (圖片來源：Digi-Key)

完整的物料清單 (BOM) 已收錄在底下的 Digi-Key Scheme-it® 專案中。

nRF52840 Feather Express 的 CircuitPython 程式碼設定藍牙連線並將電流讀數從 SSA-100 感測器傳送至 Android 手機。專案詳情、範例 CircuitPython 程式碼、參考連接列於 eeWiki 的 Bluetooth Wireless 100 A 電流感測器專案。

測試設定和結果

用於測試，我在我的 Honda ATV 將電流感測器與 12 V 電池串聯安裝。接著啟動 ATV 的電絞鏈，提供電流負載，讓電流感測器進行量測。

圖 7：Honda ATV 測試設定 (圖片來源：Digi-Key Electronics)

Adafruit 的 BlueFruit LE Connect 行動應用程式安裝於 Google Pixel 手機，顯示由 nRF52840 Feather Express 傳送的電流量測值。應用程式中的「繪圖儀 (Plotter)」模式在 ATV 絞鏈啟用時，用於顯示來自 SSA-100 的讀數。圖 8 顯示絞鏈在反向拉動模式下的 ATV 電流讀數。

圖 8：BlueFruit LE Connect 繪圖儀圖 (圖片來源：Digi-Key Electronics)

結論

Riedon 的 SSA 電流感測器是準確、多用途且易用的元件。可用於 AC 和 DC 應用的高側及低側。此感測器由於具備高線性度，因此可以輕鬆嵌入高功率電路中，添加準確的隔離式電流量測能力。