寬動態(tài)范圍的高端電流檢測的三種解決方案（2）

在電機控制、電磁閥控制、通信基礎(chǔ)設(shè)施和電源管理等諸多應(yīng) 用中，電流檢測是精密閉環(huán)控制所必需的關(guān)鍵功能。如何設(shè)計寬動態(tài)范圍的高端電流檢測電路，這對于大多數(shù)工程師來說都具有挑戰(zhàn)性，這里分享由ADI技術(shù)專家Neil Zhao、Wenshuai Liao 和Henri Sino提供的幾個建議電路供大家參考。

將按照設(shè)計復(fù)雜度從高到低的順序介紹三種可選解決方案，它們能針對各種不同的應(yīng)用提供可行的高精度、高分辨率電流檢測。

1. 使用運算放大器、電阻和齊納二極管等分立器件來構(gòu)建電流傳感器。這種解決方案以零漂移放大器AD8628 為核心器件。

2. 使用AD8210 等高壓雙向分流監(jiān)控器來提高集成度，并利用其它外部器件來擴展動態(tài)范圍和精度。

3. 采用針對應(yīng)用而優(yōu)化的器件， 例如最新推出的AD8217。AD8217 是一款易于使用且高度集成的零漂移電流傳感器，輸入共模電壓范圍為4.5 V 至80 V。

解決方案二：利用AD8210 和外部器件進行高端電流檢測

圖2a 所示為集成高壓雙向分流監(jiān)控器AD8210 的簡化框圖；圖2b 所示為采用外部基準(zhǔn)電壓源的單向應(yīng)用。

AD8210 可以放大正或負(fù)電流流過分流電阻時產(chǎn)生的小差分輸入電壓，同時抑制高共模電壓（最高65 V），并提供以地為參考的緩沖輸出。

如圖2a 所示，它主要包括兩個模塊：一個差分放大器和一個儀表放大器。輸入端通過R1 和R2 連接到差分放大器A1。A1利用Q1 和Q2 調(diào)整流經(jīng)R1 和R2 的小電流，使其自身輸入端上的電壓為零。當(dāng)AD8210 的輸入信號為0 V 時，R1 和R2 中的電流相等。當(dāng)該差分信號非零時，一個電阻中的電流增大，另一個電阻中的電流則減小。電流差與輸入信號的大小和極性成正比。

R3 和R4 將流經(jīng)Q1 和Q2 的差分電流轉(zhuǎn)換為差分電壓。A2 配置為儀表放大器，用于將該差分電壓轉(zhuǎn)換為單端輸出電壓。通過精密調(diào)節(jié)的薄膜電阻在內(nèi)部將增益設(shè)置為20 V/V。

使用VREF1 和VREF2 引腳可以輕松調(diào)整輸出基準(zhǔn)電壓。在處理雙向電流的典型配置中，VREF1 連接到VCC，而VREF2 連接到GND。這種情況下，當(dāng)輸入信號為0 V 時，輸出以VCC/2 為中心電壓。因此，對于5 V 電源，輸出以2.5 V 為中心電壓。根據(jù)分流電阻上的電流方向不同，輸出將大于或小于2.5 V。

這種配置非常適合充電/放電應(yīng)用，但如果用戶需要利用整個輸出范圍來測量一個單向電流，那么一種典型方法就是利用外部源來設(shè)置該范圍，如圖2b 所示。此時，一個電阻分壓器經(jīng)過一個運算放大器緩沖來驅(qū)動連在一起的VREF1 和VREF2 引腳，從而使輸出發(fā)生偏移。

當(dāng)負(fù)載電流接近0 時，單單依靠放大器難以監(jiān)控負(fù)載電流。采用5 V 電源時，AD8210 的線性輸出范圍為50 mV 至4.9 V。假設(shè)應(yīng)用中的分流電阻為10 mΩ，那么其上流過的最小電流必須大于250 mA，才能確保AD8210 的輸出高于其50 mV 的最低點。

圖2b 所示配置引入了一個偏移，以便測量更小的電流。當(dāng)放大器增益為20 V/V 時，輸出電壓與監(jiān)控電流之間的關(guān)系可以通過公式2 表表示：

例如，當(dāng)電阻R1 和R2 分別為9800 Ω 和200 Ω 時，失調(diào)電壓為100 mV。當(dāng)差分輸入為0 V 時，AD8210 的輸出是100 mV，仍然落在線性范圍之內(nèi)。如果分流電流范圍為50 mA 至20 A，當(dāng)RSHUNT = 10 mΩ 時，輸入范圍將是0.5 mV 至200 mV，AD8210 的輸出范圍是10 mV 至4 V 加上失調(diào)電壓，即0.11 V至4.1 V，完全位于其額定線性范圍以內(nèi)。

事實上，利用這種配置，設(shè)計人員可以將AD8210 的輸出偏移到電源范圍內(nèi)的任何一點，從而處理具有任何非對稱性的任意電流范圍。由于精密調(diào)節(jié)的電阻內(nèi)部連接到基準(zhǔn)輸入端，因此需要使用一個運算放大器來緩沖分壓器。為了獲得最佳結(jié)果，應(yīng)當(dāng)以低阻抗來驅(qū)動這些輸入端?？捎脕砭彌_外部基準(zhǔn)電壓源的精密低成本運算放大器包括AD8541、AD8601、AD8603、AD8605、AD8613、AD8691 和AD8655 等。

事實上，利用這種配置，設(shè)計人員可以將AD8210 的輸出偏移到電源范圍內(nèi)的任何一點，從而處理具有任何對稱性的任意電流范圍。由于精密調(diào)整的電阻內(nèi)部連接到基準(zhǔn)輸入端，因此需要使用一個運算放大器來緩沖分壓器。為了獲得最佳結(jié)果，應(yīng)當(dāng)以低阻抗來驅(qū)動這些輸入端。可用來緩沖外部基準(zhǔn)電壓源的精密低成本運算放大器包括AD8541、AD8601、AD8603、AD8605、AD8613、AD8691 和AD8655 等。

與分立解決方案相比，這種集成解決方案要求分流監(jiān)控器具有高共模電壓范圍，當(dāng)輸出電壓范圍無法達到電流檢測范圍要求時，它還要求輸出偏移。但它能夠處理雙向電流監(jiān)控，并且避免了上述溫漂和功耗問題。AD8210 失調(diào)漂移和增益漂移的保證最大值分別為8 μV/°C 與20 ppm/°C。如果使用AD8603 作為緩沖器，它所貢獻的失調(diào)僅有1 μV/°C，與AD8210 已經(jīng)很低的失調(diào)電壓漂移相比可以忽略不計。分壓器R1 和R2 的功耗為：

以圖2b 所示的參數(shù)進行計算，其功耗僅為1.2 mW。