寬動(dòng)態(tài)范圍的高端電流檢測的三種解決方案（1）

在電機(jī)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(jì)寬動(dòng)態(tài)范圍的高端電流檢測電路，這對(duì)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(gè)建議電路供大家參考。

將按照設(shè)計(jì)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(duì)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(yùn)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(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍和精度。

3. 采用針對(duì)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。

解決方案一：配置一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器進(jìn)行高端電流檢測

圖1 所示為一個(gè)采用AD8628 的基于運(yùn)算放大器的分立解決方案。采用其它運(yùn)算放大器時(shí)同一設(shè)置也有效，但必須盡可能具有下列特性：低輸入失調(diào)電壓、低失調(diào)電壓漂移、低輸入偏置電流和軌到軌輸入輸出擺幅能力。推薦的其它放大器包括AD8538、AD8571 和AD8551。

此電路監(jiān)控高端電流I。放大器通過齊納二極管打開偏置，本例中其額定值為5.1 V。二極管的使用確保放大器能夠在高共模電平下安全地工作，并且其電源電壓穩(wěn)定在容許的電源限值以內(nèi)，同時(shí)MOSFET 將其輸出轉(zhuǎn)換為電流，進(jìn)而由電阻RL 轉(zhuǎn)換為以地為參考的電壓。這樣，輸出電壓就能饋送至轉(zhuǎn)換器、模擬處理器和其它以地為參考的器件（如運(yùn)算放大器或比較器），以便做進(jìn)一步的信號(hào)調(diào)理。

在此配置中，RG 上的電壓與RSHUNT 上的電壓相等，因?yàn)橥ㄟ^MOSFET 的反饋會(huì)使運(yùn)算放大器的兩個(gè)高阻抗輸入端保持相同的電壓。經(jīng)過RG 的電流流過FET 和RL，產(chǎn)生VOUTPUT。流過分流電阻的電流I 與VOUTPUT 的關(guān)系可通過公式1 表示：

RSHUNT 選擇：RSHUNT 的最大值由最大電流時(shí)的容許功耗決定，而最小值由運(yùn)算放大器的輸入范圍和誤差預(yù)算決定。一般情況下，為了監(jiān)控10 A 以上的電流，RSHUNT 的值在1 mΩ 至10 mΩ之間。如果單個(gè)電阻無法滿足功耗要求，或者對(duì)PCB 而言太大，則RSHUNT 可能必須由多個(gè)電阻并聯(lián)構(gòu)成。

RG 選擇：RG 用于將與高端電流成比例的電流轉(zhuǎn)換到低端。RG的最大值由P 溝道MOSFET 的漏極-源極漏電流決定。假設(shè)使用常見的P 溝道增強(qiáng)型垂直DMOS 晶體管BSS84，那么各種條件下的IDSS 最大值如表1 所示。

表1. 漏極-源極漏電流

RG 的最小值由最大負(fù)載電流時(shí)的容許鏡像電流功耗決定：

RBIAS 選擇：通過RBIAS 的電流經(jīng)過分流產(chǎn)生運(yùn)算放大器的靜態(tài)電流和基本恒定的齊納二極管電壓VZ（它決定運(yùn)算放大器的電源電壓）。當(dāng)放大器電流ISUPPLY 實(shí)際上為0 且VIN 為最大值時(shí)，應(yīng)確保流過齊納二極管的電流不超過其最大調(diào)節(jié)電流IZ_MAX：

當(dāng)ISUPPLY 為最大值且VIN 為最小值時(shí)，為確保二極管電壓穩(wěn)定，流過其中的電流應(yīng)大于其最大工作電流IZ_MIN：

齊納二極管和RBIAS 是這一解決方案的關(guān)鍵器件，因?yàn)樗鼈兿撕罄m(xù)電路的高共模電壓，支持使用低壓精密運(yùn)算放大器。為使電壓保持最高穩(wěn)定性，齊納二極管應(yīng)具有低動(dòng)態(tài)電阻和低溫度漂移特性。

R1 選擇：R1 用于在輸入瞬變超過運(yùn)算放大器的電源電壓時(shí)限制放大器輸入電流。建議使用10 kΩ 電阻。

所選運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓VOS 和失調(diào)電流IOS 是非常重要的指標(biāo)，特別是在分流電阻值和負(fù)載電流很低的情況下。VOS + IOS&TImes; R1 必須小于IMIN &TImes; RSHUNT，否則放大器可能會(huì)飽和。因此，為獲得最佳性能，最好使用具有零交越失真的軌到軌輸入放大器。

對(duì)于這種分立解決方案，另一個(gè)需要考慮的問題是溫度漂移。即使采用零漂移放大器，也非常難以優(yōu)化，或者需要付出高昂代價(jià)才能優(yōu)化下列分立器件所引起的漂移：齊納二極管、MOSFET 和電阻。從表1 可知，當(dāng)VGS = 0 V 且VDS = –50 V 時(shí)，隨著工作溫度從25°C變?yōu)?25°C，MOSFET的IDSS最大值從–10μA 變?yōu)?ndash;60 μA。此漂移會(huì)降低系統(tǒng)在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的精度，特別是當(dāng)受監(jiān)控的電流很低時(shí)。齊納二極管的漂移特性會(huì)影響放大器電源的穩(wěn)定性，因此所用放大器應(yīng)當(dāng)具有高電源抑制(PSR)性能。

此外，設(shè)計(jì)人員必須意識(shí)到這一解決方案的功效很低，因?yàn)镽BIAS 消耗了大量功率。例如，如果總線共模電壓為28 V，齊納二極管輸出電壓為5.1 V 且RBIAS 為1000 Ω 電阻，那么該電路的無用功耗將超過0.52 W。這會(huì)增加功耗預(yù)算，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮這一點(diǎn)。