大部分的電路斷路器都是以電流感測形式為主，例如保險絲就是利用當電流超過一定限制時中斷電路來進行保護的動作，雖然這類的電流感測電路斷路器能夠對固定直流或RMS電源電壓正常運作，但是對筆記型電腦所使用電池等這類電源電壓會變動的應用，功率感測還是較為安全的方式。

筆記型電腦中主要電源的電壓大都會在交流電源變壓器移除後下降，主要原因是電池電壓通常會比交流電源變壓器所提供的電壓還低，同時鋰離子電池的電壓也可以在電池充滿時的4.1V到放電接近盡頭的3V電壓間大幅變化，因此對筆記型電腦來說，功率感測式電路斷路器是較為適當的做法，因為在這些應用中功率會受到一定的限制，同時電源電壓也不是一個固定值。

運作原理

負載上的功率消耗在定義上是負載電壓乘上負載電流，因此功率監測應用積體電路產品就必須包含一個具備電壓輸出的電流感測電路以及一個類比乘法器，請見(圖一)(a)，高電壓端電流感測器提供了一個正比於負載電流的輸出電壓，可以乘上負載電壓來取得正比於負載功率消耗的輸出電壓。

《圖一　基本的功率感測器》

＜圖註：(a)包含一個可以量測電流並產生比例電壓輸出的電流感測器，可以與負載電壓相乘取得一個正比於負載功率的電壓輸出；(b)整合電流感測與類比乘法器功能的功率感測器。＞

矽晶片高電壓端電流感測放大器

由(表一)中可以看出，在實現電流感測電路斷路器線路時有幾種方法，保險絲、自復式保險絲（resettable fuse）與雙金屬溫控片（bi-metallic strip）等為電熱式感應，原則上大都是在負載上串聯一個已知阻抗的物質，會在電流通過時發熱，而當電流到達一個危險程度時，電路就會因為物質溶化，如保險絲；或阻抗大幅上升，如可復式保險絲；或造成物質受熱彎曲形成斷開開關，如雙金屬溫控片而斷開，電磁式電路斷路器的運作原理除了整個機構的動作是由電磁方式而非溫度所控制外，基本上和雙金屬溫控片斷路器類似。

以上所提到的四種電流開關式電路斷路器並無法提供精確的電流感測功能，同時其觸發點精確度也相當粗糙，另一方面，電流感測器則能夠提供較為精準的電流感測與測量結果，同時在形成電路斷路器時也較為簡單。電流變壓線圈也是電流感測器的一種，但通常較為笨重而且複雜，只適合應用在交流信號上，運作形式通常是採用一個一次端與電源串聯，並以二次端提供正比於電流電壓輸出的變壓線圈。

霍爾效應（Hall Effect）與巨磁阻式（Giant Magnetoresistance；GMR）感測器實際上是磁場感測元件，由於任何承載電流的連線或電路板上的繞線都會產生一個磁場，因此磁場感測元件就可以用來進行電流的測量，另一方面，由於這些元件並沒有與承載電流的導體有任何的接觸，因此也提供了隔離的功能。這些感測器的輸出電壓不僅受到流經電流大小的控制，同時也會受到電流流經路徑與感測器間實際的相對位置所影響，要取得更佳的精確度，霍爾效應元件與GMR感測元件通常都需要經過調整，而這也相對增加了複雜度與成本，同時這些感測元件也相當容易受到鄰近電路磁場的干擾。

電流鏡（current mirror）則提供了另一個測量電流的方法，它包含了兩個以電流鏡方式連接的不同大小匹配電晶體，如(圖二)，其中附屬電路（auxiliary branch）會對主電路（main branch）進行一定比例，如10：1的電流鏡射，因此，主電路上的電流就可以透過附屬電路上成比例的電流來加以測量，電流鏡感測技術提供了可達6級（decades）較為寬廣的動態範圍，但通常侷限於低電流應用。

《圖二　高電壓端電流監測元件內部的電流鏡》

要讓電流鏡電路動作，MOSFET電晶體必須要在飽和區內運作，通常汲源極間的電壓會大於1V，與其他壓降通常低於0.1V的技術比較，1V的壓降可以說相當地大，因此主電流必須限制在10mA以下，就如量測發光二極體的電流一樣，電流鏡技術雖然在低電流應用上相當有用，但對諸如電池等高電流、低電壓的應用來說，在電源效率上卻沒有那麼理想。

對如電池等的直流應用，監測電流最間單方式是使用歐姆定律V=IR，也就是說，感測電阻兩端的電壓會線性正比於通過的電流，以電阻方式為主的電流感測器通常需要一個提供輸出電壓給外部電路的放大器，這類電流感測放大器可以透過出廠前調整達到1％甚至更佳的精確度，如(圖三)所示，這個電路稱為高電壓端電流感測放大器，原因是它所量測的是電源端的電流，不會干擾負載的接地路徑。

《圖三　高電壓端電流感測放大器會輸出一個正比於負載電流的電壓》

這個高電壓端電流感測放大器在電池（電源端）與負載間放入一個電源感測電阻，這樣的安排可以避免在接地面造成太多阻抗，簡化電路板的佈局設計，通常還能改善整體電路的效能。通過電流感測電阻(RS)的電流會在電阻上造成壓降，透過運算放大器，這個電壓可以推動MOSFET電晶體經由電阻R吸入電流，因此電阻R上的壓降就等於感測電阻上的壓降：

公式:KISRS=IOR

IO=KIS（RS/R）且

VO= KIS（RS/R）RO

感測器的輸出電流正比於負載電流，通常會加入一個電流鏡來將輸出電流提升K倍，如果需要電壓式的輸出，那麼可以在電流輸出與接地間加入一個輸出電阻(RO)來將電流轉變為電壓，電阻R與RO可以透過出廠前調整來達到1％甚至更佳的電流感測精確度。

功率監測電路

在利用精確且低成本的電流感測器進行電流測量安排後，就可以透過將電流乘上電壓來達成功率的測量，圖一(b)是一個包含內建電流感測器與類比乘法器的低成本全矽化功率感測元件，乘法器會在第一個象限中運作，也就是輸入與輸出電壓都為正值，同時只需單一電源，和電流感測器一樣，晶片中的類比乘法器也可以在出廠前調整以達到良好的精確度。

舉例來說，某針對筆記型電腦內電池監測應用所設計的功率監測晶片產品，其功率感測器的共模電壓範圍（4V～28V）適用於各種不同的電池電壓，要進行電流的測量，在電源（也就是電池）與負載間加入一個感測電阻，接著電流感測放大器會將正比於負載電流的電壓送到類比乘法器的其中一個輸入上，乘法器的另一個輸入則與負載的電壓分壓電路連接（由於乘法器的最高輸入電壓限制為1V，因此負載電壓必須先透過分壓電路降低），將這兩個電壓相乘就會產生一個正比於負載功率的輸出電壓。

要達到功率測量所需的精確度必須要進行出廠前的調整，(圖四)顯示經過調整後常見的功率測量精確度與感測電壓間的關係，對50mV到150mV間的感測電壓VSENSE來說，誤差低於1％，但對感測電壓低於50mV的情況，測量誤差則會因電流感測放大器的輸入偏移而提高，因此在選擇感測電阻時必須要確保它在最大可能電流下壓降會介於50mV到150mV之間，舉例來說，如果最高可能負載電流為10A，那麼就應該選用一個10m的感測電阻以產生100mV的全幅電壓。

《圖四　高電壓端功率與電流感測元件的功率測量誤差會在感測電壓較低時上升，》

主要原因是受到電流感測放大器輸入偏移的影響

電子式功率感測電路斷路器

對電源電壓會有變動或功率受限的系統來說，能夠感測整體功率錯誤情況的電路斷路器通常會比只感測電流錯誤的電路提供更好的保護，這類的系統應用包括筆記型電腦、智慧型電池組與高可靠度電源供應電路等。

功率感測電路斷路器對保護電池避免受到短路與功率過高破壞，或在斷路器偵測到功率過高錯誤時遮蔽電流的應用相當有效，如(圖五)所示，當偵測到錯誤情況時，MOSFET M1會斷開直到手動重置按鈕按下或者是CIN2-輸入端上出現邏輯高電位信號，當然也可以透過切斷並重新開啟輸入電源讓LE接腳變成低電位並解開比較器輸出OUT1來進行電路斷路器的重置動作，其中連接到比較器的RC線路R3-R4-C1可以用來避免電壓變換時的錯誤動作。

《圖五　固態功率感測電路斷路器會在功率過高時關閉連接到負載的電流》

＜圖註:按下手動重置按鈕或在CIN2-接腳上加上邏輯高電位信號可以進行電路斷路器的重置動作，比較器的INHIBIT輸入則可以在電壓發生變動時暫時停止動作避免錯誤的功率過高警示情況發生。＞

總結

對終端電壓會因電池放電而變化的電池應用來說，功率監測要比電流監測更加適合而且安全，新一代的晶片產品大都已經整合了構成低成本、高效能全矽化晶片功率感測器的大部分功能，這些晶片產品在出廠前都經過調整以達到優於1％的精確度，將它們的內部比較器以及參考電壓與外部MOSFET開關搭配就可以組成一個直到目前都不容易達成的簡單功率感測式電路斷路器。（作者任職於Maxim Integrated Product）

＜參考資料:參考資料：

[1]MAX4210/1資料規格書，美商美信。

[2]MAX4211EVKIT資料規格書，美商美信。

[3]MAX4172資料規格書，美商美信。

[4]MAX4006資料規格書，美商美信。＞