採用電流檢測電阻，除了是目前馬達(dá)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的趨勢之一，還能受益於新型的數(shù)位隔離技術(shù)。這類技術(shù)基於元件級標(biāo)準(zhǔn)IEC 60747-17（其中規(guī)定了電容和磁耦合隔離器的性能、測試、和認(rèn)證要求），為設(shè)計(jì)人員提供了較高的可靠性。數(shù)位隔離還能提供其他的優(yōu)點(diǎn)，例如較快的回路響應(yīng)、允許整合的過電流保護(hù)，以及較短的死區(qū)時(shí)間（dead times）。藉此可實(shí)現(xiàn)較平滑的輸出電壓，從而提供更好的扭矩控制。

適用於馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的各種隔離標(biāo)準(zhǔn)

馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)者，通常都了解遵守國際隔離標(biāo)準(zhǔn)的必要性。隔離之所以必要的原因如下：

? 能防止來自高功率電路上接地連接的電氣雜訊，被感應(yīng)到低功率訊號線上。

? 能防止具危險(xiǎn)性的電壓和電流被傳導(dǎo)到良性的低電壓環(huán)境，以便為終端使用者提供電氣安全。

依IEC 61010-1第3版標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，系統(tǒng)層級設(shè)計(jì)人員必須知道導(dǎo)體之間的距離，包括通過空氣（間隙）和表面（爬電）。該標(biāo)準(zhǔn)也規(guī)定他們必須了解灌封（potting）中，導(dǎo)體和金屬元件之間的分離狀態(tài)，模塑料、以及絕緣薄膜。

在設(shè)計(jì)符合IEC 61010-1的系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)確認(rèn)所選擇的元件能保證一定程度的安全性。根據(jù)IEC 60747-17標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)隔離測試必須採用業(yè)界所接受的「時(shí)間依存電介質(zhì)擊穿（time dependent dielectric breakdown, TDDB）分析」手法，以利推斷設(shè)備的使用壽命和持續(xù)工作電壓（VIORM）。

IEC 60747-17（DIN V VDE V 0884-11）具體定義了採用電感和電容技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的絕緣，而IEC 60747-5-5標(biāo)準(zhǔn)則是定義採用光耦技術(shù)的絕緣。然而，IEC 60747-5-5中，並沒有規(guī)定要使用TDDB分析來確定連續(xù)工作電壓或壽命。該標(biāo)準(zhǔn)是依靠部分放電電壓測試來建立工作電壓，但並未定義元件的工作壽命。因此，電感和電容技術(shù)所定義的最小額定壽命為37.5年，而基於光耦合器的隔離器則沒有相關(guān)的定義。

表1整理了基於光耦合器標(biāo)準(zhǔn)與非基於光耦合器標(biāo)準(zhǔn)之間的主要差異。其結(jié)論是，非基於光耦合器的標(biāo)準(zhǔn)會隨著時(shí)間的推移，市場接受度逐漸提高，因?yàn)樗転樵O(shè)計(jì)人員提供較高的安全性與較長的工作壽命。

圖1 : 具有數(shù)位隔離和感測電阻的三相馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器的方塊圖

使用感測電阻的增強(qiáng)型隔離所構(gòu)成的典型系統(tǒng)

圖1所示，為一典型的三相永磁馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器，它使用感測電阻來測量繞組（winding）電流，並透過ADI的隔離式Σ-Δ調(diào)變器AD7403及sinc3濾波器來取得回授。AD7403使用了一個(gè)單二階（single second order）調(diào)變器數(shù)位化電路，將來自感測電阻的類比訊號，轉(zhuǎn)換為隔離的單一位元脈衝流（single bit pulse stream），並根據(jù)滿幅輸入電壓範(fàn)圍進(jìn)行縮放。sinc3濾波器接著提取出電流的平均值，同時(shí)消除由反向器（inverter）的開關(guān)動(dòng)作所產(chǎn)生的雜訊。

AD7403可以存入一代表記憶體中電流的16位元整數(shù)，並將該數(shù)字與一代表電流限制的參考值進(jìn)行比較，並在過載狀態(tài)時(shí)，透過一單獨(dú)的接腳發(fā)送出警報(bào)。由於使用了較短的濾波器（來進(jìn)行過載監(jiān)測）以及測量濾波器，讓警報(bào)延遲時(shí)間（alert latencies）得以縮短。

AD7403具有增強(qiáng)的隔離能力，可以透過調(diào)變器直接測量到電流感測電阻的電壓，除了由一電阻和一電容所組成的簡單分立式低通濾波器，無需其他額外的元件。調(diào)變器的規(guī)定最高工作電壓為±250 mV，因此其要求的電流感測電阻的阻值需小於250 mV / IMAX。

選擇適當(dāng)感測電阻時(shí)的考量

電阻值的溫度漂移

由於AD7403的輸出是一個(gè)16位元數(shù)字，因此電流測量的潛在準(zhǔn)確度，並非受到ADC轉(zhuǎn)換的限制，而是受電壓讀值本身所限制。電阻值的溫度漂移，會隨著電阻元素中所使用的材料、電阻的額定功率，和元件的實(shí)際大小尺寸而變化。

由鎳銅錳特殊合金所構(gòu)成的電阻性元素，具有拋物線型的電阻漂移曲線，如圖2所示。這類合金是用於電流感測應(yīng)用中，準(zhǔn)確性最佳的材料。圖2顯示了一Bourns型號CSS4J-4026R電阻，對應(yīng)於50ppm /℃的溫度係數(shù)，其電阻漂移的上下限。此差距是由電阻的銅端子所造成，也就是由於銅的高TCR所導(dǎo)致的漂移（4000ppm /℃）。Bourns型號CST0612系列是由特殊合金所製成的1 W、4端子電阻。它的尺寸為3.2 mm×1.65 mm，TCR為±100ppm /℃。

至於Bourns的CST0612型號與CSS4J-4026R型號之間的TCR差異，可以透過其所含銅相對於電阻性元素的比例來得到解釋。藉由具有較高成分比例的低熱阻銅，有助於元件吸收高功率而不會過熱。在此例中，說明了元件尺寸、額定功率、和電阻溫度漂移之間的權(quán)衡取捨關(guān)係。

圖2 : CSS4J-4026R電流感測電阻的拋物線型TCR曲線

電阻值漂移計(jì)算

讓我們使用Bourns的CSS4J-4026R-L500F，來計(jì)算該元件在滿功率且70°C環(huán)境溫度條件下的電阻漂移量。CSS4J-4026R-L500F是一具有130°C的最大工作環(huán)境溫度，且額定功率為5瓦的0.5mΩ（±1％）感測電阻。當(dāng)溫度達(dá)到170°C時(shí)，它便會從100％功率降至0 W。因此，此元件的熱阻值為8°C / W。在滿功率和70°C環(huán)境溫度的條件下，元件的表面溫度預(yù)期將會達(dá)到110°C（70°C + 8×5°C）。在110℃下的電阻值漂移可從圖3中得到，相當(dāng)於是在25℃下標(biāo)稱值的+ 0.45％。絕對公差為±1％，因此，電流測量的準(zhǔn)確度最大為+ 1.45％。

過載

馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器經(jīng)常會出現(xiàn)短路，因此電流感測電阻必須要能夠承受短路過載而不被破壞。以Bourns型號CST0612的電流感測電阻為例，我們可以從其材料數(shù)據(jù)表計(jì)算出該元件的重量為0.0132 g。或者，也可以由其大小尺寸和銅與合金的密度（8.4 g/cm3）計(jì)算出此重量。

圖3 : 溫度的上升速率可以用公式計(jì)算

其中P是功率（瓦特），m是元件的重量（g），C則是金屬合金的特定熱容量（heat capacity）。

在1m歐姆的電阻上所出現(xiàn)的50 A過載，會產(chǎn)生每秒攝氏462度的溫度轉(zhuǎn)換速率。假設(shè)穩(wěn)態(tài)溫度為攝氏50度，則短路期間不能超過0.22秒。但此時(shí)間可以藉由增加電路板上的銅鍍層總重量，來加以延長。

至於體積更厚更大的元件，例如重量為0.371g的CSS4J-4026，在相同的過載狀況下，溫度轉(zhuǎn)換速率則為攝氏16.5度/秒。假設(shè)此元件目前的表面溫度為攝氏100度，則在表面溫度上升到攝氏170度的最大允許溫度之前，它將可承受此期間的能量達(dá)四秒鐘。

適當(dāng)?shù)碾娮柚?/span>

AD7403的電阻滿幅輸入為+/-250 mV。在最大電流下，可跨於大功率電流檢測電阻上的壓降。設(shè)計(jì)人員可以透過調(diào)整縮放因子來補(bǔ)償較低的電壓。

結(jié)論

根據(jù)IEC60747-17，額定為增強(qiáng)型隔離的數(shù)位隔離，其最小壽命應(yīng)達(dá)37.5年。傳統(tǒng)的光耦合器技術(shù)並沒有這類的參考數(shù)據(jù)，但往後設(shè)計(jì)人員應(yīng)該可以對使用數(shù)位隔離系統(tǒng)更具信心。

使用特殊合金所製造出來的電流感測電阻，具有較低的電阻值溫度漂移，且能產(chǎn)生輸出電壓，並由一隔離式調(diào)變器（例如，使用ADI iCoupler技術(shù)的調(diào)變器）用可調(diào)整的比例來加以讀取。電流測量的準(zhǔn)確度取決於電阻的溫度，而該溫度又取決於相對額定功率比例的功率值，以及環(huán)境溫度。

（本文作者Cathal Sheehan任職於Bourns公司，Nicola O’Byrne任職於ADI公司）