利用新型放大器實(shí)現(xiàn)高性能電流檢測(cè)

大多數(shù)模擬集成電路（比較器、運(yùn)算放大器、儀表放大器、基準(zhǔn)、濾波器等）都是用來處理電壓信號(hào)的。至于處理電流信號(hào)的器件，設(shè)計(jì)師們的選擇卻少得可憐，而且還要面對(duì)多得多的難題。這很不幸，因?yàn)橹苯颖O(jiān)視和測(cè)量電流有很大的優(yōu)勢(shì)。通過觀察電流流動(dòng)，可以最好地監(jiān)視電動(dòng)機(jī)扭矩、螺線管受力、LED 密度、太陽(yáng)能電池受光量和電池電量。所需要的只是一個(gè)能準(zhǔn)確測(cè)量電流并將電流轉(zhuǎn)換成電壓的電路，這樣就可以用很容易買到現(xiàn)有的電壓器件（放大器、比較器、ADC 等）以放大、調(diào)節(jié)和測(cè)量電壓。

圖 1：電流檢測(cè)電路概念圖

　　盡管電阻可以將電流轉(zhuǎn)換成電壓，但是只用電阻并不能組成完整的解決方案。最常見的解決方案是，用一個(gè)直接與電流串聯(lián)的檢測(cè)電阻，并用一個(gè)放大器來隔離和調(diào)節(jié)電阻上的電壓（VSENSE）。

圖 2：實(shí)際的電流檢測(cè)電路

　　組合放大器與檢測(cè)電阻

　　乍一看，將電阻與接地點(diǎn)串聯(lián)似乎與大多數(shù)簡(jiǎn)單直接的電流檢測(cè)方法一樣。這種方法稱為低端電流檢測(cè)（圖 3A），要求不存在可能使電流在檢測(cè)電阻周圍被分流或可能引入鄰近電路電流的接地通路。如果機(jī)架構(gòu)成了系統(tǒng)地，那么插入這樣的檢測(cè)電阻也許是不實(shí)際的。而且，既然地線不是理想導(dǎo)體，那么系統(tǒng)中不同位置的地電壓可能不同，因此必須使用差分放大器才能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量（圖 3B）。

圖 3A：低端電流檢測(cè)拓?fù)?/p>

圖 3B：低端電流檢測(cè)電路

　　在進(jìn)行低端電流檢測(cè)時(shí)還有更嚴(yán)重的問題。接地通路中的電阻意味著負(fù)載“地”將隨著電流的變化而變化。這可能引起系統(tǒng)共模誤差，并在與需要相同地電平的其他系統(tǒng)連接時(shí)出現(xiàn)問題。因?yàn)闇y(cè)量分辨率隨著 VSENSE 幅度的提高而提高，因此設(shè)計(jì)師必須以“地噪聲”換取分辨率的提高。適度的 100mV 滿標(biāo)度 VSENSE 轉(zhuǎn)換成 100mV 注入地噪聲。通過在電源和負(fù)載之間放置電流檢測(cè)電阻，可以避免地電平變化問題。

　　這種方法稱為高端電流檢測(cè)。檢測(cè)電阻上的差分電壓仍然可用來直接測(cè)量電流，不過現(xiàn)在電阻上有一個(gè)非零共模電壓。這種配置的技術(shù)難題是，必須從電源共模電壓中分辨出小的差分檢測(cè)電壓（圖 4）。

圖 4：高端電流檢測(cè)

　　就低壓系統(tǒng)而言，儀表放大器或其他軌至軌差分放大器用于監(jiān)視高端檢測(cè)電阻可能足夠了。放大器的輸出必須在不增加很大誤差的情況下轉(zhuǎn)換到地電平。電源電壓很高時(shí)，也許需要將 VSENSE 轉(zhuǎn)換到放大器輸入共模范圍內(nèi)的電路，或者將放大器浮動(dòng)到電源電壓的電路。這些方法除了增加電路板空間和成本，還假定共模電壓將保持在一個(gè)很窄的特定范圍內(nèi)。就大多數(shù)電流檢測(cè)應(yīng)用而言，預(yù)先考慮大的共模變化非常有用。例如，如果電流檢測(cè)電路在電源電壓下降時(shí)可以工作，那么它可以指示電源或負(fù)載處是否存在問題；電流過大表明限流和負(fù)載故障，電流不足指示電源故障。另一方面，電流檢測(cè)電路可能面對(duì)超過電源電壓的共模電壓。很多電流器件，如電動(dòng)機(jī)和螺線管，本質(zhì)上都是感性的，通過這些器件的電流迅速變化會(huì)引起感性反激，導(dǎo)致檢測(cè)電阻上出現(xiàn)大的電壓擺幅。這些例子準(zhǔn)確說明了放大器何時(shí)最有用。(1)

　　簡(jiǎn)單的解決方案

　　為了克服這些電流檢測(cè)難題，人們創(chuàng)造了高端電流檢測(cè)放大器。這些特殊放大器用來從高共模電壓中抽取通過小檢測(cè)電阻的電流產(chǎn)生的小差分電壓。然后，檢測(cè)電壓被放大并被轉(zhuǎn)換成以地為基準(zhǔn)的信號(hào)。圖 5 顯示了高端電流檢測(cè)放大器的基本拓?fù)?。在這個(gè)圖中，放大器給 RIN 加上等于 VSENSE 的電壓。然后，通過 RIN 的電流流過 ROUT，提供以地為基準(zhǔn)的輸出電壓。就這個(gè)基本功能而言，很明顯，高端電流檢測(cè)放大器應(yīng)該有高輸入阻抗、高增益和高增益準(zhǔn)確度、以及寬共模范圍和良好的共模抑制。也許不那么明顯的是還有放大器精確度的重要性。

圖 5：基本高端電流檢測(cè)放大器

　關(guān)注電阻

　　理想情況下，電流和電壓檢測(cè)電路不應(yīng)該對(duì)它所連接的負(fù)載造成影響。這意味著，電壓檢測(cè)器件應(yīng)該有接近無限大的輸入阻抗，這可確保不會(huì)從負(fù)載分走可觀的電流。相反，電流檢測(cè)器件應(yīng)該有接近零的輸入阻抗，這可確保不會(huì)明顯地降低負(fù)載電壓。高端電流檢測(cè)電路（放大器＋電阻）同時(shí)受到這兩種要求的制約。用來檢測(cè) RSENSE 上電壓的放大器必須有高輸入阻抗。用來檢測(cè)負(fù)載電流的電阻必須非常小。

　　為了充分理解這一點(diǎn)，我們來看一下使用大檢測(cè)電阻時(shí)的情況。因?yàn)榇?lián)電阻提高了，所以負(fù)載獲得的電壓降低了。外加串聯(lián)電阻是能量浪費(fèi)的根源，大的檢測(cè)電阻可能導(dǎo)致過度的熱耗散，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看可能引起可靠性問題。

　　使用大檢測(cè)電阻有什么理由嗎？主要的優(yōu)點(diǎn)是提高了總的輸出電壓（EQ1）。這在放大器有固定增益或增益可配置性有限時(shí)可能很有用。

　　[EQ1]

　　檢測(cè)電阻值有個(gè)限度。放大器輸入范圍和最大預(yù)期電流將決定最大的實(shí)際檢測(cè)電阻值（EQ2）。

RSENSE_MAX = (VSENSE_MAX / ISENSE_MAX) [EQ2]

　　例如，如果通過檢測(cè)電阻（ISENSE MAX）的最大預(yù)期電流是 50mA，高端電流檢測(cè)放大器可以接受高達(dá) 250mV（VSENSE MAX）的輸入，那么最大檢測(cè)電阻值是 50Ω（RSENSE_MAX）。

　　理想情況下，設(shè)計(jì)師不應(yīng)該被迫增加檢測(cè)電阻以補(bǔ)償放大器。只要放大器能以足夠的增益和增益準(zhǔn)確度工作，設(shè)計(jì)師就應(yīng)該去關(guān)注最小可接受電阻值。這可以從電流檢測(cè)放大器的輸入失調(diào)電壓算出來，必須分辨的最小電流為：

RSENSE_MIN = (VOFFSET / IRES). [EQ3]

　　例如，如果要求 1mA 分辨率（IRES），高端電流檢測(cè)放大器的失調(diào)電壓為 1mV（VOFFSET），那么最小檢測(cè)電阻為 1Ω（RSENSE MIN）。等式 3 突出了一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：最小檢測(cè)電阻與高端電流檢測(cè)放大器的失調(diào)電壓直接相關(guān)。

　　深入了解現(xiàn)代電流檢測(cè)放大器

　　設(shè)計(jì)師把精準(zhǔn)高壓側(cè)電流檢測(cè)技術(shù)謹(jǐn)記于心, 從而開發(fā)出了新型高壓側(cè)電流檢測(cè)放大器, 與先前的同類產(chǎn)品相比, 性能有了大幅度的提升。例如，凌力爾特公司的 LTC6102 是一種采用零漂移技術(shù)的新型高端電流檢測(cè)放大器。這種放大器的輸入失調(diào)電壓僅為 10uV，偏壓漂移最大值為 50nV/oC。與前幾代電流檢測(cè)放大器相比，LTC6102 可以使用小得多的檢測(cè)電阻(2)。如果系統(tǒng)能夠承受大的 VSENSE，那么LTC6102 就可以接受高達(dá) 2V 的檢測(cè)電壓。低失調(diào)加上這么高的最高檢測(cè)電壓可實(shí)現(xiàn)超過 106dB 的動(dòng)態(tài)范圍，允許LTC6102從安培級(jí)電流分辨出微安級(jí)電流。檢測(cè)非常小的電流是可能的，因?yàn)槿魏卧鲆嬷刀伎梢杂猛獠侩娮柽x擇。通過使用精密電阻，增益準(zhǔn)確度可以高于 99%。

　　LTC6102 也不損害其他重要的電流檢測(cè)性能。其高阻抗輸入將輸入偏置電流限制為低于 300pA。LTC6102 可以在輸入共模電壓高達(dá) 105V 時(shí)工作。130dB 的共模抑制在整個(gè) 100V 輸入共模電壓范圍內(nèi)產(chǎn)生低于 32uV 的偏移誤差(3)。就故障保護(hù)而言，LTC6102 有 1us 的響應(yīng)時(shí)間，從而允許該器件在出現(xiàn)意外的負(fù)載或電源變化時(shí)迅速關(guān)閉電源。

　　圖 6：凌力爾特公司的 LTC6102 可簡(jiǎn)單直接地實(shí)現(xiàn)高端電流檢測(cè)。用 RSENSE 和兩個(gè)增益電阻就可以配置該器件。通過選擇 RIN 和 ROUT，設(shè)計(jì)師可以定制功耗、響應(yīng)時(shí)間和輸入/輸出阻抗特性

　　結(jié)論

　　高端電流檢測(cè)放大器用來監(jiān)視和控制電流時(shí)具有固有的優(yōu)勢(shì)。電池管理、電動(dòng)機(jī)控制等領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步導(dǎo)致對(duì)較高共模電壓、較高準(zhǔn)確度和較高精確度的電流檢測(cè)放大器的極大需求。LTC6102 率先以一套令人印象深刻的功能和卓越的精確度開辟了一片新天地。高端電流檢測(cè)放大器現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到了業(yè)界領(lǐng)先精確運(yùn)算放大器的性能水平，為設(shè)計(jì)師提供了一種簡(jiǎn)單、通用和高度準(zhǔn)確的器件，這種器件可替代過去精確度較低或較復(fù)雜的電流檢測(cè)電路。

　　如需更多有關(guān)電流檢測(cè)的信息，請(qǐng)閱讀凌力爾特公司編輯的 ISENSE Application Note，其中收集了廣泛的電流檢測(cè)電路，現(xiàn)在可從網(wǎng)址 www.linear.com.cn/currentsense 下載。

　　注釋：

　　1 就開關(guān)或換向負(fù)載而言，在開關(guān)和負(fù)載之間安裝檢測(cè)電阻將給放大器加上大的且可能是高頻的共模電壓。即使有非常高的共模抑制比，加上大的高頻共模電壓的放大器也會(huì)產(chǎn)生 CMRR 誤差。為了避免這種不必要的困難，檢測(cè)電阻應(yīng)該挨著電源放置，在這里不會(huì)受到換向電壓影響。

　　2 與失調(diào)電壓為 1mV、漂移為 1uV/oC 的典型高端電流檢測(cè)放大器相比，LTC6102 具有最小的計(jì)算檢測(cè)電阻值（RSENSE_MIN，EQ3），就任何給定電流分辨率（IRES）而言，都至少比其他放大器低 99%。

　　3 共模抑制 = 20 x Log[ΔVCM / ΔVOS]