高壓側(cè)電流檢測(cè)放大器LT6107

0 引言
    LT6107是凌力爾特公司(Linear Technology Corporation)推出的一款簡(jiǎn)單小巧、多功能高壓側(cè)電流檢測(cè)放大器，是一種簡(jiǎn)單易用的通用器件，具有高輸入電壓范圍、高精度、寬工作溫度范圍、低失調(diào)電壓、低電源電流等特性，是MP級(jí)器件，能夠應(yīng)用到自動(dòng)裝置、工業(yè)設(shè)施及電源管理等產(chǎn)品中，可滿足汽車、軍事和工業(yè)以及其他嚴(yán)酷環(huán)境中的應(yīng)用需求。
    LT6107的最大輸入偏置電流僅為40nA，失調(diào)電壓僅有250μV，其增益可由兩只外部電阻調(diào)節(jié)設(shè)置，精度高于1％，輸入電壓范圍為2．7V～44V，能適應(yīng)-55℃～+150℃的工作環(huán)境，工作電流僅為65μA。
    LT6107具有很低的檢測(cè)電壓。當(dāng)VSENSE=0V時(shí)，輸出電壓永遠(yuǎn)為正，流過輸出器件的靜態(tài)輸入失調(diào)電壓和較小的總量電流僅為0．7μA～1．2μA。

1 引腳功能
    圖1所示為LT6107的外形圖，其引腳功能如下：

    OUT：電流輸出端，該電流與外部檢測(cè)電阻上的電壓成正比。
    V-：通常接GND。
    -IN：內(nèi)部檢測(cè)放大器使-IN端上的電平與+IN端的相同，在V+和-IN端之間接電阻RIN可以設(shè)置輸出電流IOUT，IOUT=VSENSE／RIN，其中的VSENSE為RSENSE上的檢測(cè)電壓。
    +IN：通過一個(gè)電阻與系統(tǒng)負(fù)載端相連。
    V+：IC的正電壓供電端，直接與檢測(cè)電阻相連，供電電流通過此端驅(qū)動(dòng)IC工作，若僅監(jiān)視系統(tǒng)負(fù)載電流，可將V+接到檢測(cè)電阻的正端；若監(jiān)視包含LT6107在內(nèi)的所有工作電流，需將V+接到檢測(cè)電阻的負(fù)端。

2 基本原理
    LT6107是通過檢測(cè)外部檢測(cè)電阻上的電壓來實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的監(jiān)視。內(nèi)部電路首先將外部檢測(cè)電阻上的電壓轉(zhuǎn)變成輸出電流，再在一個(gè)高共模電壓上給出一個(gè)小的檢測(cè)信號(hào)，并由它作為一個(gè)基準(zhǔn)地。其低DC失調(diào)可以監(jiān)視很小的檢測(cè)電壓，僅需在電路中連接一個(gè)很小的電阻，就可將功耗降至最低。其內(nèi)部方框電路如圖2。

    內(nèi)部電流放大器環(huán)將-IN與+IN強(qiáng)拉到相同的電位，在-IN和V+之間接一支外部電阻RIN，這樣當(dāng)RIN的電位與RSENSE上的電位相同時(shí)，相應(yīng)的電流VSENSE／RIN將流過RIN。檢測(cè)放大器的高輸入阻抗不會(huì)導(dǎo)通此電流，而通過內(nèi)部的PNP管流向IOUT端。輸出電流傳輸經(jīng)由OUT端到達(dá)V-的電阻后，轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)到IC內(nèi)，其電壓為： VO=V-+IOUTXROUT，其增益值如表1所列。

3 基本應(yīng)用
    LT6107通過對(duì)可調(diào)節(jié)檢測(cè)電流的設(shè)置來監(jiān)視電流，其檢測(cè)電壓是經(jīng)可調(diào)增益放大得來的，而且是從正電源電壓到基準(zhǔn)地的線性變化的。加入一個(gè)輸出濾波器，其輸出信號(hào)也可以作為模擬信號(hào)使用。圖3所示為LT6107的一個(gè)基本應(yīng)用電路圖。

4 硬件設(shè)計(jì)
4．1 外部電流檢測(cè)電阻的選擇
    外部檢測(cè)電阻RSENSE對(duì)電流檢測(cè)系統(tǒng)的功能有很大影響，因此必須小心謹(jǐn)慎地選擇。首先，要考慮電阻的功耗。系統(tǒng)負(fù)載電流會(huì)引起發(fā)熱及RSENSE上的電壓損耗，因此檢測(cè)電阻要盡可能地小，只需測(cè)出設(shè)備所需的動(dòng)態(tài)范圍即可。輸入動(dòng)態(tài)范圍受LT6107初級(jí)側(cè)DC輸入失調(diào)電壓的限制，在最大輸入信號(hào)和最小所測(cè)信號(hào)時(shí)的動(dòng)態(tài)范圍是不同的。而且RSENSE必須足夠小到其VSENSE不能超過LT6107的最大輸入電壓。比如，最大檢測(cè)電壓為100mV，如果外部峰值負(fù)載電流為2A，則RSENSE不能超過50mΩ。
    一旦最大RSENSE值確定下來，最小RSENSE值可由其精度或所需動(dòng)態(tài)范圍來決定，其最小信號(hào)也受輸入失調(diào)電壓的限制。例如LT6107失調(diào)電壓為150μV，若最小電流為20mA，則檢測(cè)電阻為7．5mΩ，其VSENSE就為150μv，即輸入失調(diào)。大的檢測(cè)電阻會(huì)減小由于失調(diào)造成的誤差。當(dāng)RSENSE為50mΩ時(shí)，其動(dòng)態(tài)范圍最大，在峰值負(fù)載(2A)時(shí)具有100mV的檢測(cè)電壓及3mA的輸入失調(diào)負(fù)載電流誤差，其功耗為200mW；當(dāng)檢測(cè)電阻為5mΩ時(shí)，其有效誤差為30mA，此時(shí)的峰值檢測(cè)電壓(2A負(fù)載)為10mV，功耗僅20mW。
    當(dāng)LT6107的失調(diào)電壓為典型值：150μV時(shí)，可以為最大150 mV的檢測(cè)電壓提供60dB的動(dòng)態(tài)范圍，為最大0．5V的檢測(cè)電壓提供超過70dB的動(dòng)態(tài)范圍。這使得具有的低失調(diào)和相對(duì)較大的動(dòng)態(tài)范圍特性的LT6107能夠適應(yīng)更寬泛的應(yīng)用場(chǎng)合。
    為降低功耗，-IN到+IN之間的檢測(cè)電阻需采用凱爾文連接方法。在流過大電流時(shí)，焊錫連接和PC板的互連會(huì)引起較大的測(cè)量誤差。10mmx 10mm平方的軌跡就有大約0.5mΩ的誤差，而1mV的誤差相當(dāng)于2A電流流過此處。因此，需將檢測(cè)線與高電流的路徑隔離開來，以便減小誤差，采用集成有檢測(cè)電阻的凱爾文連接也是行之有效的方法，圖4是推薦的一種連接方法。

4．2 外部輸入電阻RIN的選擇
    當(dāng)系統(tǒng)所需的輸出電流為1mA時(shí)，必須選擇合適的RIN。RIN的最大值為500Ω。RIN取決于IOUT=1mA時(shí)所對(duì)應(yīng)的最大檢測(cè)電壓，可由此得出最大輸出動(dòng)態(tài)范圍。輸出動(dòng)態(tài)范圍取決于最大允許輸出電流和最大允許輸出電壓，可以將其作為最小實(shí)際的輸出信號(hào)，如果該值低于所需的動(dòng)態(tài)范圍，可通過增加RIN來減小最大輸出電流和功耗。若系統(tǒng)有非常寬的動(dòng)態(tài)范圍，而又需要小的檢測(cè)電流，此時(shí)小RIN可帶來較大的電流，電路也需用另外一種連接方法，見圖5。用一支肖特基二極管與RSENSE并聯(lián)，會(huì)降低大電流設(shè)備的精度，從而增加小電流的精度。

    值得注意的是，在設(shè)計(jì)RIN時(shí)，特別是有較小的RIN值，PCB上所有串聯(lián)的電阻都會(huì)增加RIN的值，從而引起更大的誤差。
4．3 外部輸出電阻ROUT的選擇
    在選擇輸出電阻時(shí)，必須首先考慮最大輸出電壓，如果隨后的電路中有輸入限制，比如：緩沖器或ADC，則ROUT必須滿足IOUT(MAX)·ROUT低于電路的最大輸入范圍。
    此外，輸出阻抗由ROUT決定，若所驅(qū)動(dòng)的電路有足夠的輸入阻抗，那么輸出阻抗不受限制。而若所驅(qū)動(dòng)的電路的輸入阻抗較低，或ADC有電流尖刺，則需低ROUT，以確保其輸出精度。比如，輸入阻抗是ROUT的100倍，則VOUT的精度將減小1％，如下：
   
4．4 誤差的考慮
    1)誤差源
    電流檢測(cè)系統(tǒng)使用一個(gè)放大器和幾個(gè)電阻來調(diào)節(jié)增益及電平位移。輸出取決于放大器的特性，增益和輸入失調(diào)由電阻調(diào)節(jié)，電路輸出為：
   
    這種情況下的誤差僅來自電阻的失配，且僅在增益上有誤差。當(dāng)然，失調(diào)電壓及偏置電流也會(huì)引起其它誤差。
    2)輸出誤差
    由放大器DC失調(diào)電壓VOS導(dǎo)致的輸出誤差為：
   
    偏置電流流入內(nèi)部運(yùn)放的正輸入，流入運(yùn)放的負(fù)輸入，由偏置電流和導(dǎo)致的輸出誤差為：
   
    例如，當(dāng)IBIAS為60nA，RIN是1K，輸入?yún)⒖颊`差是60μV。注意，RSENSE=RIN時(shí)，RSENSE上會(huì)產(chǎn)生電壓偏移，以消除，和EOUT(IBIAS)=0mV帶來的誤差。在多數(shù)應(yīng)用中，RSENSE<<RIN，外部電阻，其偏置電流誤差也就會(huì)最大限度地減小了，見圖6的接法。

    若LT6107放大器的失調(diào)電流IOS為6nA，60μV的誤差會(huì)減小到6μV。
    上文所述的會(huì)使電路的動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到最大化，若想簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，也可不接。
    3)由增益差異導(dǎo)致的輸出誤差
    LT6107在輸出電流為1mA時(shí)，其典型增益誤差為0．25％。增益誤差主要來自PNP輸出晶體管的有限增益，這就使得在輸出負(fù)載ROUT上不會(huì)出現(xiàn)像RIN上一樣的小比率電流。
4．5 功耗的考慮
    LT6107的功耗會(huì)使芯片溫度上升，可用結(jié)溫來反映流過器件的供電電流和輸出電流的大小。
   
   
    當(dāng)工作電壓到最高36V，且最大輸出電流達(dá)到1mA時(shí)，總功耗為41mW，其結(jié)溫比環(huán)境溫度上升10℃。
注意，影響輸出的因素有許多，LT6107至少要有1mA的輸出，還必須限制最大輸出電流，因此所選的檢測(cè)電阻和必須合適，一旦輸入有故障，外部會(huì)被鉗制。
4．6 輸出濾波
    為簡(jiǎn)化濾波器設(shè)計(jì)，這里將輸出電壓VOUT簡(jiǎn)化為IOUTXZOUT，因此只需適當(dāng)?shù)腪OUT就可設(shè)計(jì)出所需的濾波器，用于任意電路。例如，與ROUT并聯(lián)的一個(gè)電容就能產(chǎn)生低通響應(yīng)，減小不必要的輸出噪聲，還能為充電設(shè)備提供穩(wěn)定的輸出，驅(qū)動(dòng)諸如MUX或ADC的開關(guān)電路。其輸出電容器與輸出電阻并聯(lián)，會(huì)在輸出響應(yīng)點(diǎn)生成f-3dB，即：
   
4．7 供電連接
    V+端要接到檢測(cè)電阻的一側(cè)，并要滿足下列條件：+IN≤V+和-IN≤V+。在正常工作條件下，VSENSE不得超出500mV。另外還需考慮V+-(+IN)≤500mV，參看圖7，其反饋將會(huì)使-IN和+IN端的電壓等于VS-VSENSE。
    實(shí)際應(yīng)用中，LT6107無法作反接保護(hù)，為了防止器件損壞，可以在回路中串接一支肖特基二極管，也可在輸出串入電阻來保護(hù)輸出，其電路分別如圖8和圖9所示。