智能负载管理和负载电流感测

shuszhao

对大部分负载管理电路来说，MOSFET正在迅速取代继电器成为首选的开关技术，电力电子系统的维护成本也随之降低。本文讲述了输出电流的控制和感测基础，并分析了一种智能负载管理产品。
随着微处理器对电力电子控制能力的增强，管理负载电流益发行之有效，而不再是不堪的恶梦。在本文中，我们从基本的输出电流控制和感测开始，然后介绍一种智能负载管理产品。
输出电流控制技术随半导体开关的进步而发展。对大多数负载管理电路来说，MOSFET晶体管正在迅速取代继电器成为所选择的开关技术。有两种方法可将MOSFET晶体管插入到电路中：

[li]作为高侧P沟道开关
2 作为低侧N沟道开关
[/li]

对两种MOSFET晶体管类型做一个快速回顾，我们可以记起来，P沟道MOSFET是通过将栅极电压拉到比源极电压更低来进行栅控的；而N沟道MOSFET的栅极是由比源极更高的电压来导通的。另外，其电流方向是相反的。这两个因素决定了与馈入负载的电压和电流相关的开关方向。

                               
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图1：N沟道和P沟道MOSFET。

图2显示了P沟道MOSFET作为负载开关时的优势：P沟道控制电流流入地面，而N沟道控制电流流出地面（通常称为“返回”）。

                               
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图2：P沟道器件作为负载开关时具有优势。

在这两种情况下，栅极电压都必须超过器件的阈值电压，才能将器件作为欧姆区（ohmic region）中的开关完全开启。请注意，这里的讨论集中在增强型P沟道和N沟道MOSFET。不同类型的JFET具有不同的栅控要求。

                               
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图3：本文着眼于增强型MOSFET。

从器件操作回到负载管理电路，图4所示是将高压侧p-FET用作开关元件，它还用了一个安森美的N沟道efuse产品。

                               
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图4：高压侧p-FET作为开关元件。

图5所示是低侧（返回侧）n-FET作为开关元件，使用了安森美的N沟道efuse产品。虽然N沟道MOSFET比P沟道MOSFET约小三分之一，因此成本也更低，但由于P沟道MOSFET能保持合适的接地参考（参考图5中N沟道n-FET开关位置，对地参考“隔断”），所以使用P沟道MOSFET进行负载管理更好。

                               
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图5：低侧（返回侧）n-FET作为开关元件。

efuse是一个重要的进步，因为它允许在极性反接、输出短路或过电流情况下开启电路。以类似的方式，也可以监测和控制流过开关的电流。事实上，如果栅控不正确，会发生开关振荡。
尽管半导体不会像继电器那样表现出开关反弹，但仍有可能出现不需要的振铃。
本文将着眼于高侧电流感测。高侧电流感测可以通过模拟电路进行控制，同时高侧电流的数字控制也在向更高水平推进。这些开关内置了智能功能，包括可以反馈给微处理器的可编程电流水平和数字化电流水平读数。这些信息被存储在专门处理事件定时采样的微处理器中，从而创建记录水平历史。然后使用软件确定负载电流随时间的变化。该信息与编程的阈值进行比较，并能提醒用户发生的变化。
在继电器负载的情况下，利用这些信息可以对即将发生的组件故障发出告警。这种智能负载管理产品可以作为一个单独实体运行，也可与智能电源一起使用。与智能电源一起使用时，可以采用RS-485通信进行可编程负载监控和实时更新。
负载管理能力的增强正在改变电力行业。数字控制能力变得更精确、更可调，系统性能和可靠性也得到提高，因而能够预测故障。这样的话，便不必再仅仅为了更换一条熔断的保险就下派技术人员到现场，从而降低了维护成本。

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