傳感器與IC簡化電流測量技術

?今天在各個層次上對能量效率的需求,使電流成為一項快速增長的測量指標。設計人員現在能從令人眼花繚亂的各種硬件中進行選擇,來最佳地實現對主電路影響最小的技術。
　　要點
　　庫侖計數器適用于移動充電器
　　高端測量可保證精度與安全
　　差分放大器把小檢測電壓歸因于接地
　　檢測FET可實現動態在線測量
　　霍爾效應傳感器測量交流與直流
　　從電池供電的小型輪胎氣壓傳感器到數兆瓦的風力渦輪發電機,今天的電子學性質與不斷提高的能量效率要求,正在使能量測量成為每一位設計人員的熱門話題。在規模較小的低端,每一種便攜式電子設備都要求用比以往更好的電池功率管理來增長工作時間,并為用戶提供更多的特性。而在大規模的全國性供電電網方面,快速、精確及結實可靠的傳感器,是在不斷變化的電網條件下提供用于平衡發電機輸出的伺服環路反饋的基礎。多數應用則處于這兩種極端應用之間,包括汽車電源調整、消費電子直至工業過程控制等。在上述各種情況下,具備電流測量能力是半導體廠商與傳感器制造商所提供的各種器件（設備）的關鍵要求。在目前已經獨立出來的這個市場中,家庭能量計將測量電流與電壓的能力以低成本的方式合并在一個互相矛盾的環境中（參見附文“電表要求采用電子測量”）
　　無論功率水平如何,測量必須總是能與ADC之類監控邏輯進行接口。盡管設計人員常常認為電壓測量不過是小菜一碟,但今天的IC與傳感器常常使得更容易進行電流測量 ——尤其在與交流電源隔離成為一個問題的情況下。但在深入研究交流電源測量之前,由于即便有修改概念也基本相同,因此有必要討論直流應用以及可簡化設計人員工作的各種途徑。當然,電池供電設備長期以來一直采用功率測量來報告電路狀態。但具有諷刺意味的是,或許是機械與電氣元件所取得進展正在使經典案例—— 汽車充電電路——在商品汽車中變得日益罕見。雖然每輛汽車都用伏特計和安培計來告訴駕駛員哪里要出故障的日子已經一去不復返了,但這種類比在汽車消費電子領域變得比以往更加重要。
　　盡管大量汽車電子設備都用電池終端電壓測量來得出至下一個充電周期前所剩下的工作時間,但峰值負載（例如數碼相機上的閃光燈）卻要求用功率測量來管理能量資源并優化整體設備運行。例如,如果剩下的電量不足以使相機繼續工作的話,則微控制器可能會選擇禁用閃光燈。另外, 電池電壓測量為電池容量的一種粗略近似,它會在電池使用過程中隨電池電化學性能的下降而逐漸變差。鑒于此,一種所謂的庫侖計算技術日益受到了人們的寵愛。這里,電流與電壓用來監視定時器在充、放電過程中的增加與減少,其滿量程值即表示電池的容量。例如在電池供電輪胎氣壓監視系統 (TPMS) 中,由于沒有機會給能源充電,且器件工作正常即意味著安全,因此隨著器件周期性地在待機與工作模式間轉換,監視電路以毫微安/秒為單位來測量電池放電,誤差信號即表示剩余電量是否不足（參考文獻1）
　　雖然TPMS等小型設備要求使用ASIC,但庫侖計數器也容易作為ADC/定時器在商用微控制器中實現。而像智能電池組等更復雜的應用,則可以使用集成了外圍功率管理功能的專用電池能量監測器IC。像Atmel公司的新型ATmega406芯片,即在微控制器的周圍安排了穩壓器與支持電路（包括用于電池充電的FET驅動器和用于電流與電壓監視的兩個ADC）,以構建一個用于鋰離子電池組充電器的自主控制器。配上通過5mΩ電流旁路而獲得0.67mA分辨率的18位庫侖計數器,該器件±30A的范圍還建議用于更廣泛的控制設備中,使這些設備能充分利用 40k字節閃存、2k字節RAM以及512k字節EEPROM的優勢。

　　保護測量精度
　　幾乎無一例外,監視與控制電路都需要有將測量值歸于系統接地的接口,這給設計人員帶來了這樣一個老問題,即如何最佳地將任意電平電壓上的電流轉換成適合現成邏輯的電平。在傳統上適合高靈敏度動圈直流安培計的傳統低端檢測技術,是在電源返回路徑中插入一個電流檢測電阻器并測量其上產生的電壓。這種安排還具有將測量值參考至高壓交流電路中的中性電位上的優勢,從而能避免高共模電壓并簡化瞬態保護——盡管不能檢測電機線圈與其外殼之間的短路。但要想與邏輯電路接口,就必須將ADC信號接地與電路接地相連,且對于所有其他電路來說,使檢測電阻器動態電位浮動會在多個電路間造成偏差。此外,這種安排還難以給單個電路（包括ADC）提供其所需的電流,并容易給接地面引入討厭的阻抗。由于ADC的輸入靈敏度遠小于安培計典型75mV的滿量程電壓,故必須用一個可處理共模電壓（包括接地）的儀表放大器來將檢測電壓提升至合適的水平。
　　高端測量可克服以上這些問題,而且實際上在應用中是強制性的,擔負大量公共接地－返回路徑,如汽車那樣。問題現在集中在以一個加在正電源線上的小檢測電壓為參考的地上。雖然可采用真正的差分放大器或儀表放大器方法,但要求有匹配良好的電阻器來保持共模抑制比 (CMRR) 以及保持精確的增益性能（圖1a）,例如,任何兩個電阻器間0.1%的不平衡即會將CMRR降為66 dB。
　　像具有1和10固定增益的Maxim公司MAX4198/99芯片,即集成了這些電阻器并具有優于0.01%的增益精度與大于110 dB的CMRR。封裝選項包括該公司的小型8引腳mMAX封裝,起價大約為1.25美元（批量1000片）。該公司還提供各種用于電流檢測應用的元件。 Analog Devices公司也在其電流檢測放大器系列中提供各種用于高共模檢測的儀表放大器。例如,AD8205具有的65V工作電壓極限使其適合用于汽車42V PowerNet監控。與內部分壓器鏈路的靈活連接,使其易于進行偏置和換算輸出電壓以適合進行單極型與雙極型測量。售價為1.35美元（批量1000 片）的該型芯片采用工作溫度規定為 -40℃~ +125℃的8引腳SOIC封裝。

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　　差分放大器配置也適合高電壓環境工作。例如,凌特科技公司 (Linear Technology) 的LT1990器件,采用±15V電源工作時,即能適應高達±250V的共模電壓,并具有由外部鏈路設定的1或10增益。它還采用分別高達±350V 或±500V的共模瞬態保護,使其非常適合于工業應用。采用SO8封裝的LT1990具有最小70 dB的CMRR及最大0.28%的增益精度誤差,起價為1.35美元（批量1000片）。同系列器件——LT1991,可在±60V的輸入電壓范圍內提供更高的精度。它包括8個片上精密匹配的硅－鉻電阻器,允許在小于0.04%的增益誤差及大于75 dB 的CMRR下設定-13~+14的增益。該運放在3 nA偏置電流下的典型輸入失調電壓為15mV,采用2.7V ~±18V單電源工作,并在大約100mA的電流下具有最小的功耗。此外,該器件還是一款在110 kHz頻率上保持了-3 dB單位增益響應的560kHz增益帶寬產品。10引腳MSOP封裝或無鉛DFN封裝的起價為1.39美元（批量1000片）,大小僅為3 mm見方。
　　另一種差分放大器方法配置的器件是采用一個滿擺幅輸入運放直接在電源電壓上放大檢測電壓（圖1b）。由于采用P溝道MOSFET Q1來做作為電流源,因此負反饋會將差分電壓施加于檢測電阻器R1上,然后R1中的電流再通過R2流向接地。在此種情況下,CMRR只取決于運放的能力, 且輸出電壓直接接地。但需仔細選擇滿擺幅輸出運放,因為當在中范圍內工作的晶體管截止并由另一個設定成靠近線路電壓工作的晶體管接任時它們在幾伏的線路電壓值內即呈現為非線性（參考文獻2）。另外,也可選擇像凌特科技公司的新型LTC6101器件來進行電阻器分流測量。這種全CMOS的器件集成了運放與 FET,以提供最小110dB的PSRR（電源抑制比）。具有在室溫下最大450mV的輸入失調電壓及170nA的輸入偏置電流的該器件,適用于4V~ 60V環境下高達500 mV的檢測電壓,響應時間在1ms范圍內。
　　凌特科技公司信號調整部總經理Erik Soule指出,當芯片測量其自身在14V上的大約為250mA電流消耗時,可以從電池或從負載一側來給芯片供電。他說,“實際上,利用0.1% 的增益設定電阻器,您就能很容易得到優于1% 的性能,因為電阻器是主要的誤差源?！?引腳1mm高SOT-23封裝的LTC6101芯片,起價為1.04美元（批量1000片）。Soule還推薦了其他檢流元件,包括更高電壓的LTC6101以及帶輸出緩沖與4種增益設定的雙極型器件。

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　　對于高精度工作,凌特科技公司可提供其LT1787芯片。此8引腳器件的40mV輸入失調電壓,可允許在250 mV檢測電壓下實現12位ADC的精度。它采用2.5V~36V或60V（帶HV下標）電源工作,僅消耗大約60mA的電流,具有大約120 dB的PSRR。兩個終端——FIL+ 與FIL-,通過在芯片輸入分壓器鏈路的中間增加一個電容器,可提供額外的差分信號濾波與共模信號濾波（圖2）。工作時,運放將其反相與正相輸入之間的電位驅動至零,以使輸入電阻器中的電流流入Q1與Q2。電流鏡將（圖2）電流相加并以固定為8的輸入－輸出增益將其轉換成單端輸出。偏置引腳為電壓輸出提供一個參考電平,且一般連接至ADC的參考電壓。此連接可確保IC的電流至電壓轉換器 (ROUT) 跟蹤ADC參考電壓隨時間、溫度的變化。正電流使輸出電壓相對于偏置電平為正,而負電流則正好相反。工業應用溫度范圍及汽車應用溫度
范圍的SOIC器件,指導價為2.05美元（批量1000片）。
　　另一種適合很多應用的選項利用從匹配晶體管對上構建的電流鏡來反映小部分到接地負載電流。由Zetex 公司提供的第一代ZDS1009器件,R2兩端的任何電壓都會在R1中引起一個平衡電流（圖3）。如果R3等于R4,則傳輸特性為(I×R2)×(R4/R1), 使得易于將接地參考的輸出電壓換算為適合ADC的電平。今天,該公司的ZXCT系列采用一個外部電阻器來設定電路增益,并采用3或5引腳SOT-23封裝,一般在2.5V～20V電源范圍內可為100mV檢測電壓提供1%的精度。Zetex公司市場營銷經理Alan Buxton指出,5引腳器件通過包含一個用于IC靜態電流的接地引腳而能提供更高的精度,對于針對在100mV檢測電壓上工作進行優化的 ZXCT1009器件,該靜態電流通常為4mA。
　　“通過使其輸出浮動,3引腳器件可提供更大的設計靈活性。只需簡單地在芯片輸出與連接至接地的換算電阻器之間增加一個合適的齊納二極管,設計人員即可適應任何電源電壓?！?Buxton表示。對于汽車或工業應用,輸入電源線與IC電流輸出端之間的齊納二極管,可保護芯片免受由繼電器與螺線管引起的瞬態沖擊。在過壓期間,齊納二極管導通以在器件兩端保持安全電壓。該IC的電流鏡設計意味著如果有足夠高的反相極性,則其晶體管為正向偏置,但齊納二極管會提供一個二極管鉗位來將電流從IC上轉移開。Buxton稱還可以將兩個器件背靠背連接來構成一個雙向測量電路,他還補充說,公司將很快推出具有這種能力的IC。3引腳SOT- 23封裝的ZXCT1009芯片售價為45美分（批量1000片）。

　其他擁有可簡化高端直流電流測量的專用IC的公司還有Ixys、美國國家半導體 (National Semiconductor) 與德州儀器 (Texas Instruments) 公司。Ixys公司最近剛進入該市場,其售價40美分（批量1000片）的IXI848芯片為采用8引腳SOIC封裝,并能在2.7V至40V電源范圍內工作。針對150mV檢測電壓特性化后的該IC,擁有典型0.7%的滿量程精度。與內部精密電阻器的連接使用戶能將增益設定為10 或50V/V,以適合一系列外部檢測電阻器。由于連接至一個可在增益10上驅動33 kV或在增益50上驅動165 kV的電流源,故其電壓輸出一般需要進行緩沖。美國國家半導體公司的LM3814芯片則與眾不同,因為它集成了可輸出一個中心頻率與分辨率分別為160 Hz及0.8%的PWM波形,從而適合直接與微控制器連接的△－Σ調制器。該芯片還集成了檢測電阻器以適應61A或67A的滿量程范圍,并能分別以 95.5% 及4.5% 的占空比傳輸正、負滿量程值。LM3814芯片采用8引腳SOP封裝,售價約為1.50美元（批量1000片）。
　　德州儀器公司提供的5引腳SOT-23封裝INA138與INA168單極型監視器,具有該公司Burr-Brown產品的傳統,適合2.7V~36V或 60V電壓工作。這些電流輸出器件具有便于使用的單個電阻器換算特點,售價大約1.25美元（批量1000片）。該公司還提供各種擁有汽車AEC- Q100品資的類似監視器（如INA169等）與新型電壓輸出器件。該INA193/198系列能適應 -16V至+80V的共模輸入電壓,并能提供20、50及100V/V的固定傳輸比,以便與外部電流分路一起使用。這些售價為80美分（批量1000片） 5引腳SOT-23封裝的器件,可在-40℃ ~ +125℃溫度范圍內采用2.7V至13.5V電源工作。

　　檢測FET的開關電流
　　另一種在線電流測量方法采用一種FET結構,該結構在與主功率開關一樣的裸片上用一個小尺寸電流檢測墊片來構成所謂的檢測FET。這里,功率開關與檢測元件之間的幾何匹配,再一次將一小部分負載電流反映至檢測引腳,從而使接地電阻器產生一個接地參考電壓。國際整流器 (International Rectifier) 公司的N溝道HEXSense MOSFET一般適合于開關應用,并能以典型±2.5%的精度處理高達50A的電流或高達500V的電壓。其最近推出的無鉛產品——額定60V的 IRCZ44PBF器件,擁有最大0.028Ω的導通電阻（假設有足夠的散熱）,從而允許以TO-220封裝的器件處理50A的電流。它以1: 2460~1: 2720檢測比輸出電流。將運放的正相輸入連接至器件的開爾文接地引腳、以及將反相輸入連接至其檢測引腳,即可利用運放反饋回路中的一個電阻器來將輸出換算至任意電平。該器件指導價為1.45美元（批量1000片）。

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　　英飛凌科技公司 (Infineon Techno
logies) 的Sense-ProFET系列智能功率開關具有類似的電流檢測能力（圖4）。這里,承載負載的晶體管可能擁有5萬個單元,而檢測晶體管則大約擁有10個單元。運放與P溝道FET在檢測晶體管兩端保持負載晶體管的電位,并將部分電流反映至接地。從理論上講,此電流等于負載電流除以負載晶體管與檢測晶體管單元數之比。這些N溝道高端開關以芯片層疊技術構建,具有電荷泵驅動器及一系列保護與診斷功能。該系列開關適合汽車與工業應用,采用各種TO-252表面貼裝及TO-220/218通孔塑料封裝,開關電流為17A至165A。其最高電流BTS555器件,具有僅為2.5 mΩ的導通電阻以及520A的內部短路電流極限。在這種水平上的電流檢測功能,包括用外部電路來降低短路電流極限,以充分利用器件極低開關損耗的優勢等（參考文獻3）。BTS555的指導售價為4.50美元（批量1000片）。

　　用IC來測量交流與直流電流
　　傳統非破壞性測量交流電的方法依靠保持有選擇用于精密測量技術的電流變壓器。使用時,電流導體通過電流變壓器磁芯形成一個單圈初級線圈。可通過增加穿過磁芯的環路數來增加初級線圈匝數比,以獲得更高的靈敏度。經過仔細設計以及平衡同軸負載電阻器,該技術很容易用專用寬帶設備（例如可在高達2 GHz頻率上工作的泰克公司 (Tektronix) CT6示波器電流探頭等）來獲得優于±0.5%的日常臺式測量精度。常見臺式應用包括,在傳感器輸出驅動示波器50Ω終端電阻、而另一通道測量觸發電壓時,測量設備開機期間的三端雙向可控硅的主端電流。此應用給被測電流帶來的負擔可忽略不計,且不需要電源。但由于它是一種變壓器技術,因此頻率響應明顯滯后于電源線路頻率,且不能測量含直流分量的波形。
　　采用霍爾效應器件的電流換能器,有助于克服大多數工控應用所要求的從直流至100kHz帶寬內的許多應用難題。像霍尼維爾 (Honeywell) 、LEM及Sentron等公司,都提供從數安培至數千安培適宜用作風力渦輪發電機等設備中的監視與控制邏輯的器件。在歷史上,由于霍爾半導體器件的本性以及為信號調整電路供電所需的±12 或 ±15V電源電壓,此類器件一直都具有不佳的靈敏度與實際的溫漂。今天,常常含有斬波自穩放大器的ASIC,可在反饋環路內調整霍爾器件的輸出。該環路可將溫漂減少一個數量級或一個以上數量級,以提供通常位于VCC/2（其中VCC可以為5V單電源）中心的穩定、比例輸出電壓,從而簡化與ADC的接口。靈敏度改善一般采用將霍爾效應器件夾于電路磁芯末端之間間隙中的磁場聚能器來實現。
　　同樣的例子還包括LEM公司的LTS系列單極、閉環以及采用 5V電源工作的電流換能器。這些具有±6A、±15A及±25A額定初級電流指標的器件,可測量從直流到0.5 dB (100 kHz) 或 -1 dB (200 kHz) 的響應。該系列器件重10克并采用公共通孔安裝,封裝尺寸大約24 mm長、10 mm寬,在一個12.7mm柵格上有6個引腳,允許用三個串/并連連接至其三組內部線圈上。以此種方式,每一種器件都能提供比其相應額定初級電流分別大1 倍、2倍及3倍的引腳可配置增益。在上述每種情況下,輸出電壓為2.5V±0.625V,且輸出電壓線性度在0.5V電源內優于0.1%。此配置允許最高靈敏度的LTS 6-NP器件測量0 ~±19.2A的電流。這些器件的另一個特點是具有一個通過磁芯中心的通孔,因此可在電流載體只有一條通路的情況下,提供另一個允許進行差分測量的單位增益連接。該售價為10美元（批量100片）的器件目前可隨處買到,包括從目錄分發經銷商處買到。其他系列還可提供適合工業儀表中4mA~20mA電流回路的電流輸出。這里,可測量雙向直流電流的能力適合在大電流電池組中進行隔離測量。

　其他通用器件,特別是適合汽車與工業應用的器件,還包括Allegro公司的ACS電流傳感器系列。新近增加±5A ~±200A且不斷在擴展的霍爾效應傳感器系列中的新成員為額定±50A的傳感器ACS754-050。就像系列中的其他成員一樣,該無鉛芯片采用5V電源工作但更換了一個電阻器,通常這能減少二到三個數量級的阻抗、功耗與壓降。這種方法可使一些新封裝適合于大電流應用。在這種情況下,封裝就像額外增添兩個具有最小插入損耗并讓功率通過封裝的真正翼的傳統三端功率器件,其內阻剛好為100mΩ。比例電壓輸出來自于用ICBiCMOS（經過工廠微調達到最小增益與失調誤差）構建的斬波自穩霍爾效應IC（圖5）。結果在25℃時得到±1%的總輸出誤差,并在-20℃~+85℃溫度范圍內保持為±5%。擴展應用顯示,在-40℃~+
150℃汽車極端溫度范圍內誤差小于±10%。其35kHz帶寬及3 kV rms的輸入－輸出隔離還適合在電機控制等低頻交流應用中使用。ACS754目前售價大約為3.23美元（批量1000片）。
　　Allegro公司歐洲應用經理Bob Christie,針對該公司具有±5A與±15A兩個品種的新型8引腳SOIC封裝ACS704器件指出,“ACS704將電流引入SOIC封裝以盡可能靠近裸片上的霍爾板來獲得更高的精度與靈敏度,同時仍使其內部電阻保持在1.5 mΩ的低水平上。”他補充說,通過將電流路徑引入封裝,ACS704還能控制漏電以及使其800V-rms電壓隔離指標成為可能的間隔距離。該器件可用 5V單電源工作,其輸出靈敏度通常可達133 mV/A（5A器件）及100 mV/A（15A器件）。輸出電壓位于VCC/2中心,并具有代表正電流的正斜率。兩型器件都具有直流至50kHz的帶寬,從而適合于各種小電流及空間有限的應用。該器件目前已供貨,指導售價為1.61美元（批量1000片）。

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　　附文:電表需要采用電子測量
　　各地消費者所熟悉的電磁瓦特計,是少數幾種維多利亞時代保留下來的機電設備之一。其長壽命很大程度上得益于傳統應用（例如加熱與白熾燈照明等）不變的電氣要求。
　　但今天的消費者給電力公司壓上了由熒光燈、白商品（大型家電）以及其他消耗大量傳統電表無法計費的無功功率的家用電器所帶來的沉重負擔。結果,很多電力公司都在考慮可展現不良功率因素、要求電表報告有功功率與視在功率的另類住宅計費裝置。這種測量要求IC計算測量結果,并與一個低成本機電計數器或與一個一般能提供適宜每天多次計費的LCD讀數的微控制器進行接口。
　　由于認識到了巨大的市場潛力,因此像Analog Devices、austriamicrosystems、Cirrus Logic、TDK Semiconductor、SCL印度、意法半導體 (STMicroelectronics) 以及德州儀器 (Texas Instruments) 等公司都在提供各種可簡化交流電功率測量的芯片。
　　其中,當前的市場領導者為已推廣應用了5000萬個電表的Analog Devices公司。其最新產品為其流行的ADE7755的改進型ADE7757A,ADE7757A 的引腳數獲得了減少。該新芯片通過用一個振蕩器來驅動數字信號處理塊以及為電流旁路提供一個直接接口來降低成本（圖A）。其兩個16位Σ－Δ ADC包括了主要的模擬電路,并以450 kHz的過采樣速度將電壓與電流通道信號數字化。通過對瞬時功率信號的數字處理,該芯片可計算出實際功率。也就是說,它從其電壓與電流測量值的實時乘積推算出實際功率。電流通道中的高通濾波器濾除任何直流成分,否則會給乘積運算帶來固定誤差。

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　　模擬輸入帶寬約為7 kHz,使FFT算法在處理非正弦波信號時能保持精度。在該芯片的45Hz - 65Hz測量帶寬內,在500比1動態范圍內精度優于0.1%,超過IEC-61036標準的精度要求。輸出信號包括一對低頻脈沖信號,以與機電計數器或微控制器相配。獨立的高頻邏輯輸出可反映瞬時實際功率測量,適合進行設備校準。該芯片采用16引腳窄體SOIC封裝,可聯系ADI公司獲取樣品。
　　大約在本文發稿時推出其首款產品的意法半導體公司,是又一家進入電表市場的企業?；谠摴?.35微米BiCMOS工藝的STPM01芯片,目標瞄準單相電路中的單獨0.5類電表應用,利用其步進電機的輸出來驅動機電電表。（注：“分類”術語將是0.5%測量精度歸于單位功率因子電路）
　　此外,該芯片還能作為微控制器的外圍器件工作,并能在單相、三相環境中提供有功、無功及視在功率測量。利用兩組電流輸入IIP1/N1與IIP2/N2, STPM01可任意適應火線與中性線電流測量（圖B）。此特點使其能檢測20種篡改形式,從而能保證電表不會被竊電（這在某些地區是一種常見的現象）。

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　　其模擬前端適合采用電流分路器、電流變換器或Ro
gowski線圈,可通過使用芯片的SPI接口對其48位OTP（一次性可編程）存儲器進行編程來完成器件設定與校準。此SPI鏈路還能與微控制器通信。
　　校準調整包括電壓與電流校準、相位校正及溫度補償。專用輸出包括報告即時可視狀態的LED驅動器,以及一個能控制外部負載切換以避免產生電弧與干擾的零交叉交流檢測器。STPM01采用20引腳TSSOP封裝?？傻顷懺摴揪W站來了解報價與定購信息。
　　ADI與意法半導體兩家公司都提供簡化儀表開發的參考設計與低成本評估套件。