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隨著過去傳統(tǒng)的“開環(huán)”系統(tǒng)被智能和高效率“閉環(huán)”設(shè)計(jì)所取代，準(zhǔn)確的電流檢測(cè)在多種應(yīng)用中變得越來越重要。實(shí)施電流測(cè)量的應(yīng)用實(shí)例包括電動(dòng)機(jī)扭矩、螺線管受力、LED 密度、太陽能電池受光量以及電池電量。為了測(cè)量電流，直接將檢測(cè)電阻與電流串聯(lián)，用一個(gè)放大器隔離和放大這個(gè)電阻上的電壓 (VSENSE)。專門為完成這一任務(wù)而優(yōu)化的新型放大器正在從汽車到工業(yè)、從通信到計(jì)算的很多應(yīng)用中得到廣泛采用。 兩種常見的電流測(cè)量方法是高壓側(cè)和低壓側(cè)檢測(cè)。在這兩種情況中，都是在電流通路中放置一個(gè)小的檢測(cè)電阻，而電阻上的電壓可以用一個(gè)基于放大器的電路測(cè)量。在低壓側(cè)檢測(cè)中，檢測(cè)電阻放置在負(fù)載和地之間；而在高壓側(cè)檢測(cè)中，檢測(cè)電阻放置在正電源和負(fù)載之間。這兩種方法都有基本的系統(tǒng)權(quán)衡問題以及不同的電路要求。 低壓側(cè)電流檢測(cè)的主要優(yōu)點(diǎn)是放大器電源電壓可以相當(dāng)?shù)停斎牍材ｋ妷悍秶梢苑浅Ｐ ５怯袔c(diǎn)限制大大抵消了這些優(yōu)點(diǎn)。首先，低壓側(cè)電流檢測(cè)要求，不存在可能使電流在檢測(cè)電阻周圍被分流或可能從鄰近電路引入電流的接地通路。如果機(jī)架構(gòu)成了系統(tǒng)地，那么也許插入這樣的檢測(cè)電阻是不實(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。也許低壓側(cè)檢測(cè)的最大問題是檢測(cè)電阻在真實(shí)系統(tǒng)地和負(fù)載端的“地”點(diǎn)之間引入了一個(gè)偏移電壓。這可能在系統(tǒng)中引起共模誤差，并給連接至其它要求同樣地電平的系統(tǒng)帶來問題。既然測(cè)量分辨率與 VSENSE 的值成正比提高，設(shè)計(jì)師就必須在“地噪聲”和提高分辨率之間進(jìn)行權(quán)衡。中等大小的 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。這種方法稱為高壓側(cè)電流檢測(cè)。盡管它避免了上面列舉的在接地通路放置檢測(cè)電阻的問題，但是高壓側(cè)電流檢測(cè)存在其它難題。像低壓側(cè)電流檢測(cè)一樣，高壓側(cè)電流檢測(cè)電路用檢測(cè)電阻產(chǎn)生差分電壓，該電壓可以直接測(cè)量。不過，現(xiàn)在電阻上存在一個(gè)非零共模電壓。這種配置帶來的技術(shù)挑戰(zhàn)是，必須從電源共模電壓中分辨出小的差分檢測(cè)電壓。 就低壓系統(tǒng)而言，用儀表放大器或其它軌至軌差分放大器監(jiān)視高壓側(cè)檢測(cè)電阻也許足夠了。然后，放大器輸出必須轉(zhuǎn)換到地，這么做不會(huì)增加很大的誤差。當(dāng)電源電壓非常高時(shí)，也許要求電路將 VSENSE 向下轉(zhuǎn)換到放大器輸入共模電壓范圍內(nèi)或?qū)⒎糯笃飨蛏细?dòng)到電源電壓。除了增加電路板面積和成本，這些方法還假定共模電壓將保持在一個(gè)窄小的規(guī)定范圍內(nèi)。就大多數(shù)電流檢測(cè)應(yīng)用而言，預(yù)期大的共模電壓浮動(dòng)是非常有用的。例如，如果電流檢測(cè)電路在電源電壓下降時(shí)可以工作，那么它就可以指明電源處或負(fù)載處是否存在問題。過大的電流表示限流或負(fù)載故障，電流不足表明電源故障。另一方面，電流檢測(cè)電路可能遇到超過電源電壓的共模電壓。很多電流型設(shè)備 (例如電動(dòng)機(jī)和螺線管) 本質(zhì)上都是電感性的，通過這種設(shè)備的電流快速變化會(huì)引起電感性反激，導(dǎo)致檢測(cè)電阻上出現(xiàn)大的電壓擺幅。這些例子可以準(zhǔn)確說明放大器在什么時(shí)候最有用。 圖 1 基本的高壓側(cè)電流檢測(cè)放大器 簡單的解決方案 為了解決電流檢測(cè)難題設(shè)計(jì)出了高壓側(cè)電流檢測(cè)放大器，這些特殊的放大器用來從高的共模電壓中抽取電流流經(jīng)小的檢測(cè)電阻時(shí)產(chǎn)生的小差分電壓，然后檢測(cè)電壓被放大并轉(zhuǎn)換成以地為基準(zhǔn)的信號(hào)。圖 1 說明了高壓側(cè)電流檢測(cè)放大器的基本拓?fù)洹Ｔ谶@個(gè)電路中，放大器給 RIN 加上一個(gè)等于 VSENSE 的電壓。然后，讓通過 RIN的電流流過 ROUT，提供一個(gè)以地為基準(zhǔn)的輸出電壓。就這種基本功能而言，很明顯，高壓側(cè)電流檢測(cè)放大器應(yīng)該有高輸入阻抗、高增益和良好的增益準(zhǔn)確度、以及寬共模電壓范圍和良好的共模抑制。 關(guān)注電阻 理想情況下，電流和電壓檢測(cè)電路不應(yīng)該影響與其連接的負(fù)載。這意味著電壓檢測(cè)電路應(yīng)該有接近無限大的輸入阻抗，這可確保不可能從負(fù)載分走很大的電流。相反，電流檢測(cè)電路應(yīng)該有接近零的輸入阻抗，這可確保負(fù)載電壓不會(huì)極大降低。高壓側(cè)電流檢測(cè)電路 (放大器 + 電阻) 須符合這兩個(gè)要求。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)，我們來考慮一下使用大檢測(cè)電阻的情況。隨著串聯(lián)電阻的增大，負(fù)載獲得的電壓會(huì)降低。外加的串聯(lián)電阻是能量浪費(fèi)的根源，大的檢測(cè)電阻可能導(dǎo)致過大的熱量消耗，從長期來看還可能出現(xiàn)可靠性問題。 有理由使用大的檢測(cè)電阻嗎？主要優(yōu)點(diǎn)是提高總的輸出電壓 (1)。在放大器有固定增益或有限的增益可配置性時(shí)，這可能很有用。 檢測(cè)電阻的大小是有限制的。放大器的輸入范圍和最大期望電流值將決定最大可用檢測(cè)電阻(2)。 R SENSE_MAX=(V SENSE_MAX / I SENSE_MAX) ( 2) 例如，如果通過檢測(cè)電阻的最大期望電流值是 50mA (I SENSE_MAX)，高壓側(cè)電流檢測(cè)放大器可以接受高達(dá) 250mV (V SENSE_MAX ) 的輸入，那么最大檢測(cè)電阻就是 5W (RSENSE_MAX)。 理想情況下，設(shè)計(jì)師不應(yīng)該被迫增加檢測(cè)電阻來補(bǔ)償放大器。只要放大器能以足夠大的增益和增益準(zhǔn)確度工作，設(shè)計(jì)師就應(yīng)該去關(guān)注可接受的最小檢測(cè)電阻。這可以通過電流檢測(cè)放大器的輸入失調(diào)電壓和必須分辨的最小電流來計(jì)算： R SENSE_MIN = (V OFFSET / I RES) (3) 例如，如果要求 1mA ( I RES) 的分辨率，而高壓側(cè)電流檢測(cè)放大器的失調(diào)電壓為 1mV (V OFFSET )，那么最小檢測(cè)電阻就是 1Ω (R SENSE_MIN )。等式(3)突出顯示了一個(gè)關(guān)鍵問題：最小檢測(cè)電阻與高壓側(cè)電流檢測(cè)放大器的失調(diào)有直接關(guān)系。 圖 2 凌力爾特公司的 LTC6102 簡單直接地實(shí)現(xiàn)高壓側(cè)電流檢測(cè)。 用 RSENSE和兩個(gè)增益電阻配置該器件。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 進(jìn)一步了解現(xiàn)代電流檢測(cè)放大器 新型高壓側(cè)電流檢測(cè)放大器充分考慮了精確的高壓側(cè)電流檢測(cè)問題，性能比前幾代有極大改進(jìn)。例如，凌力爾特公司的 LTC6102 是一種采用零漂移技術(shù)的新型高壓側(cè)電流檢測(cè)放大器。這個(gè)放大器的輸入失調(diào)電壓僅為 10mV，最大偏壓漂移為 50nV/℃。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。如果系統(tǒng)可以容許大的 VSENSE，那么 LTC6102 可以接受高達(dá) 2V 的檢測(cè)電壓。低失調(diào)加上這一最大檢測(cè)電壓實(shí)現(xiàn)了超過 106dB 的動(dòng)態(tài)范圍，允許 LTC6102 從安培級(jí)電流中分辨出微安級(jí)電流。既然可以用外部電阻選擇任何增益值，那么檢測(cè)非常小的電流是可能的。通過使用精確的電阻，增益準(zhǔn)確度可以高于 99%。 LTC6102的其它重要電流檢測(cè)性能并未因此而受到損害。高阻抗輸入將輸入偏置電流限制為不到300pA。LTC6102能以高達(dá)105V的輸入共模電壓工作。130dB的共模抑制在100V的整個(gè)輸入共模電壓范圍內(nèi)引入不到32mV的偏移誤差。就故障保護(hù)而言LTC6102有1ms的響應(yīng)時(shí)間，如果負(fù)載或電源意外變化，該器件就可以迅速啟動(dòng)電源停機(jī)。 不同的放大器滿足不同的應(yīng)用需求 LTC6102 的基本電路拓?fù)淇梢孕薷模詽M足多種不同的應(yīng)用需求。在 H 橋電動(dòng)機(jī)應(yīng)用中，準(zhǔn)確測(cè)量電流并識(shí)別各種潛在故障情況的最有效方法常常是在高壓側(cè)測(cè)量每個(gè)半橋的電流。LTC6103 含有兩個(gè)高精確度、高壓電流檢測(cè)放大器，可用來準(zhǔn)確測(cè)量兩個(gè)半橋。 在由電池供電的系統(tǒng)中，人們感興趣的電流本質(zhì)上也許是雙向的，因?yàn)橐獙?duì)電池充電和放電。在這種情況下，可以使用 LTC6104 等雙向高壓側(cè)電流檢測(cè)放大器。LTC6104 架構(gòu)的有趣之處是它允許充電和放電電阻有不同的值 (或者可以用同一個(gè)電阻監(jiān)視充電和放電)。既然充電和放電電流幅度可以相差很大，那么這就允許設(shè)計(jì)師優(yōu)化測(cè)量電路的準(zhǔn)確度。 在有些應(yīng)用中，希望在包括地在內(nèi)的非常寬的共模范圍內(nèi)測(cè)量電流。這允許準(zhǔn)確測(cè)量電流，甚至在高壓側(cè)電壓由于電路故障而出問題時(shí)也一樣。LT6105 等放大器可以滿足這些需求。 有些測(cè)量必須在嚴(yán)酷的環(huán)境中進(jìn)行。LT6107 能夠在溫度高達(dá) 150℃時(shí)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。 結(jié)論 高壓側(cè)電流檢測(cè)放大器用于監(jiān)視和控制電流具有很多固有的好處。越來越先進(jìn)的電池管理和電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)只是其中的幾個(gè)例子，這些先進(jìn)的技術(shù)正在為具有較高共模電壓、較高準(zhǔn)確度和精度的電流檢測(cè)放大器創(chuàng)造極大的需求。 |
