- 電流檢測(cè)方法研究
- 高端電流檢測(cè)放大器用來(lái)監(jiān)視和控制電流
- LTC6102 可簡(jiǎn)單直接地實(shí)現(xiàn)高端電流檢測(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(lái)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(guò)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
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)?/div>
低
圖 3B：低端電流檢測(cè)電路
[page]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(wèn)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(wèn)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(guò)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(wèn)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(lái)直接測(cè)量電流，不過(guò)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(wèn)題；電流過(guò)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(guò)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(guò)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(shuō)明了放大器何時(shí)最有用。
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(lái)從高共模電壓中抽取通過(guò)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)洹Ｔ谶@個(gè)圖中，放大器給 RIN 加上等于 VSENSE 的電壓。然后，通過(guò) RIN 的電流流過(guò) 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(wú)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(lái)檢測(cè) RSENSE 上電壓的放大器必須有高輸入阻抗。用來(lái)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(lái)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(guò)度的熱耗散，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看可能引起可靠性問(wèn)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。
公式
RSENSE_MAX = (VSENSE_MAX / ISENSE_MAX) [EQ2]
例如，如果通過(guò)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）。
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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(lái)，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(kāi)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(guò) 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(guò)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。
結(jié)論
高端電流檢測(cè)放大器用來(lái)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(kāi)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(guò)去精確度較低或較復(fù)雜的電流檢測(cè)電路。
