在用來描述全球日益電氣化的所有熱門話題中，下面這個術語或許會脫穎而出：電流感測。若不是電流感測技術可靠、準確且方便設計，在太陽能陣列、電動車 （EV） 充電站或機器人領域聽到的一些創新就不可能實現。
我將在本文中探討四個重要設計趨勢，這些趨勢源自於電氣應用成長和處理應用的電流感測技術，分別是：提高系統電壓、提升系統保護、遙測監控與縮小尺寸。整體而言，電流感測器負責監控電氣系統中的重要參數與電流，進而讓系統能在安全範圍內盡可能有效率地運作。
透過電流感測支援更高系統電壓
效率需求持續趨於嚴格，系統電壓也因而提高以協助促進效率。根據歐姆定律，當系統電壓升高，傳送至負載的電流量將會減少以產生相同功率量，可協助減少系統中 I2R 損耗。高電壓可更有效率地在系統中傳送更多功率，因為電流範圍較低，在 AC/DC 或 DC/DC 功率逆變器等級中會產生較少熱能。
圖 1 中的電動車充電裝置從電網中取得電力，電壓位準可為 120 VAC、240 VAC、230 VAC （單相） 或 400 VAC （三相）。典型電動車充電裝置會由電網將交流電送至電動車車載充電器，將功率轉為 DC，並傳送電荷至電池。
在 DC 快速充電器中，交流電會從電網進入電動車充電裝置，在充電器中從 AC 轉為 DC，並將最高 920 VDC 的電壓送至電池以進行快速充電。藉由提升至更高電壓位準但將電流保持在類似位準，可使更多電力直接傳送至電池，讓充電更快速且更有效率。
圖 1：電動車充電裝置
電流感測器協助提升電動車充電裝置的系統效率，並可用在系統中的多個位置。這些感測器可運用在 AC 線路輸入中，監控電流以調整進入前端系統中的無功功率。另一種則在系統正負節點的功率因數控制環路與二次 DC/DC 之後，可監控是否有錯誤產生。
一次 DC/DC 和二次 DC/DC 間還有一個位置，可使用差分放大器的電流感測來進行磁通量平衡。此外，也必須使用 AMCS1100 或 TMCS1100 等隔離式電流感測器，來保護系統和人類與電動車充電裝置的互動。
提升系統防護
電氣化也造成系統防護需求提高，以確保系統對安全操作區以外的事件進行適當反應，避免對半導體和其它敏感內容造成損壞。在多數系統中，有些系統防護形式可確保系統如預期運作。例如圖 2 中的機器人撿起比平常沉重的物體，可能會在馬達中造成明顯電流尖波。
圖 2：工業機器人
電流尖波代表負載超出機器人負載能力，可能導致系統中內容或實際機械手臂損壞。搭載整合比較器的電流感測裝置可發現尖峰電流 （可能超出系統安全操作區） 進入電力馬達。配備整合過電流比較器的 INA301 反應速度可達 <1 µS 且可設定警示，造成系統關機。此功能與負載點量測類似，INA228 和 INA226 超精確雙向電流感測放大器等分流架構感測器可透過特定節點監控電流流量和電壓位準，確保節點保持在安全操作區內。
實現遙測監控
隨著應用越來越電氣化，監控需求也隨之提高，以追蹤能源評等與預測性維護事件的功耗。
預測性維護監控或遙測監控的其中一個範例，是記錄通過機架伺服器系統中冷卻風扇的電流和電壓位準資料。使用 INA232 等裝置將記錄風扇功耗資料。資料記錄讓系統能夠警告技術人員風扇運作不穩定，或是接近使用壽命尾聲。
由於可取得匯流排電壓和電流流量資訊，數位電源監測器成為十分適合這種應用實例的裝置。數位電源監測器 IC 可進行板載演算以計算功率、電荷和能源，並將此資訊 （以及匯流排電壓和電流流量資料） 傳送至 I2C 或序列周邊介面。若可自 CPU 或微控制器進行演算晶片內建卸載程序，即可更有效地將處理資源用來處理其它任務，這點在 CPU 或微處理器需處理許多任務的系統中更是重要。
縮小尺寸
由於越來越多應用納入更多電子元件或需放進更小的空間中，因此對縮小元件尺寸或增加每單元功能數的需求也越來越高，以協助縮減整體電路板面積。智慧型手機和機器人系統等許多系統都有空間限制，必須持續縮減尺寸並增加功能組合。
電流感測裝置越小，就能讓設計人員增加監控傳輸量或縮小系統整體尺寸。視整體系統參數而定，縮小積體電路 （IC） 尺寸或增加每單元功能數都可能有所幫助，因為兩者皆可提高功能密度，實現強大的個人電子用品、車載充電器和小型協作機器人馬達驅動系統。
善用超小型 IC 或功能強大的晶片，可為小型系統奠定基礎。例如晶圓晶片尺寸封裝 （WCSP） 等晶片封裝選項或配備整合式分流的 INA253，都可讓設計人員縮減系統尺寸，無需犧牲性能或功能。
結論
只要詳加瞭解這些趨勢和提供支援的 IC，您便可克服特定高電壓設計挑戰，並透過監控電流量測來實現可靠性與安全性，確保系統在安全操作區內運作。
其它資源
- 閱讀應用說明「DC 電動車充電應用中的電流感測設計考量」，進一步了解電流感測設計。
- 參閱應用介紹「協作與工業機械手臂中的電流感測」。
- 閱讀《類比設計期刊》文章「系統遙測：是什麼？為什麼？如何使用？」
