使用铜对大电流测量进行温度补偿

利用电缆上的电压降便可以測量长电缆中流动的大电流,而无需庞大的分流器或昂贵的磁测量方法。但是铜的温度系数 (温度补偿系数) 为+0.39%/°C,这限制了测量精确度。

温度传感器可以做出补偿,但仅限于点测量装置,其相关性可能会因电缆长度出现问题。要考虑到2.5°C的电缆温度误差或差异会引起1%的误差。

如果在最大电流下至少有 10mV 的压降,则可用现代零漂移放大器 (自动归零,斩波器等) 轻松测量。这些放大器提供超低偏移性能,可以精确感测满量程低压降。

剩下的就是如何处理温度系数。本设计实例提出的解决方案利用了大电流电缆是由许多细股组成的这一事实,示例中的 AWG 4电缆包含1050股 AWG 34线。

在图1中,运算放大器非反相输入检测电缆负载端的电缆压降。MOSFET 处于输出/反馈路径中,这一路径通过温度感测线 (通常是用于设置增益的电阻),在电源处结束。电路迫使该增益设置元件出现压降,且压降正好等于主电缆压降。这种情况下,增益设置元件是嵌入在定制绝缘电缆组件 (包括大电流电缆) 内的34号标准规格线的单股绝缘线 (包漆,如电磁线)。

“图1:使用比例电缆实现大电流测量温度补偿”
图1:使用比例电缆实现大电流测量温度补偿

AWG 34 = 265.8Ω/1000ft
AWG 4 = 0.248Ω/1000ft
(来源:http://www.brimelectronics.com/AWGchart.HTM)

例如,0.474 ft. 4号线 = 117.6 µΩ;10 mV 压降 @ Iin = 85A;Iout = 80mA。

由于电缆由1050股线组成,电流会流入 MOSFET 和增益元件,正比于总电流除以1050。增益元件和电缆均由铜构成,并且处于紧密的热接触中,抵消了输出随温度的变化。

反馈电流流出 MOSFET 漏极,通过 RLoad 接地,提供接地参考输出电压。

线股解决了其它温度传感器的两个主要问题:

1. 导线是跨越整个电缆的 “分布式” 传感器,能更好地感测整体温度情况;
2. 导线和主电缆一样为铜材料,可实现完美的温度补偿。

实际测试

我们使用四英尺长的 JSC 1666 AWG 4电缆进行测试。沿电缆长度方向切开绝缘层,将34号标准规格电磁线插入绝缘层。电路中使用了 NCS333 运算放大器。由于运算放大器共模电压与其供电轨相等,因此必须具有轨到轨输入能力 (或使用更高的电源)。此外,它应该是零漂移 (斩波器) 放大器,因为标准轨到轨运算放大器在正轨附近的性能通常较差。

“图2:测试装备。由于感测线长度影响绝对精度,因此将其连接到电路板的两根灰色电线为较重规格。”
图2:测试装备。由于感测线长度影响绝对精度,因此将其连接到电路板的两根灰色电线为较重规格。

测量值

RLoad = 50Ω 1%
空载时,Vout 读数为 94µV;
10A 负载下,Vout = 454.6mV(5.85%误差);
58A 负载下,Vout = 2.604V(5.7%误差)。

将测试装备放入温控柜中,在室温至100°C温度范围内进行测试。显示的附加误差小于0.1%。有几个因素可能会导致该误差,例如运算放大器偏移漂移,以及电缆终端的电阻和热电偶效应。

造成误差的电线公差

为了解实际电缆结果会怎样,我列出了以下电线数据,显示34号标准规格电线有2%的公差。人们会认为4号标准规格电线的总体公差也差不多。这表明根据标准公差制造的商业电线仅仅因为电缆本身的原因,就会产生4%的精确度限制。电子设备还有其它一些限制因素也会影响精确度,不过用户当然会进行调整,或者与使用的电缆匹配。

“图3:电线数据。(来源:weicowire.com)”
图3:电线数据。(来源:weicowire.com)

最后需要注意的是,制造实现此功能的电缆似乎很麻烦。这个概念是由 OEM 提出,目的是让 OEM 可以指定包含一股漆包线的定制电缆作为增益电阻。电动和混合动力汽车有许多大电流电缆,OEM 可以利用这一特点消除大的分流。这种方法提供的精确度和温度性能,相对磁感测来说确实具有竞争力,而且成本较低,特别是在 OEM 量产的情况下。

在小批量的情况下,将感测线包裹或捆扎在电缆外侧,仍会具备分布式温度感测的优点。由于电缆绝缘,在耦合更弱且实际电缆铜温度的时间常数更长的情况下,感测对环境温度更为敏感。

本文转载自:安森美半导体
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