高端電流檢測模擬電路的新型放大器設(shè)計

在模擬電路設(shè)計中，最常見的任務(wù)之一便是電流測量。電流檢測電路常常位于電源和電池使用壽命管理、偏置電流控制、負載監(jiān)視、熔斷器監(jiān)視、故障保險電路和儀表的核心部分。各種約束條件、要求以及應(yīng)用范圍的不斷擴大始終在推動著電流檢測技術(shù)發(fā)展水平的提高。本文將說明高端電流檢測的優(yōu)勢，并重點介紹面向該應(yīng)用的新型放大器。

在高端進行測量

在理想的電路中，電流的測量是在不中斷電流通路的情況下進行的。例如，可采用一個電磁式拾波器來檢測電流，只可惜磁性傳感器的準確度欠佳。因此，電流檢測電路通常在電流通路中布設(shè)一個電阻器，并采用一個放大器來測量該電阻器兩端的電壓降。

圖1 采用一個精準差分放大器的高端電流檢測

此項工作看似微不足道，可等到您考慮電流檢測電阻器的布設(shè)位置時就會恍然大悟，實際情況原來并非如此！按照接地回線來布設(shè)電阻器（被稱為“低端電流檢測”）會帶來不少難題。舉例來說，負載將不再具有一個可靠的接地線路;當(dāng)電流發(fā)生變化時，您的電路的“相對地”將隨之改變。一個變動的“地”會使用于充電或電源管理電路的信號產(chǎn)生誤差。另外，為了準確地測量電流，您必須完全隔離并容納流經(jīng)檢測電阻器的全部電流。所有曾和接地環(huán)路打過交道的人都知道這會是一件困難的事情。

為了消除低端電流檢測的問題，可把電流檢測電阻器置于電源和負載之間，這就是所謂的高端電流檢測。高端電流檢測必須辨別加在一個高共模電壓之上的小檢測電壓。

簡單易行的方法

用于高端電流檢測的一項技術(shù)是：首先對電流檢測信號進行衰減，然后采用一個差分放大器來提取并放大差分電壓。如圖1所示，可在放大器上采用一個簡單的電阻分壓器。該電路需要超卓的電阻器匹配性能和一個具有高共模輸入電壓及上佳共模抑制（CMRR）的差分放大器。凌特公司的LT1991差分放大器提供了此類電路的一個出色的實例，其內(nèi)置電阻器的匹配精度在0.01% 以內(nèi)。除了低失調(diào)、失調(diào)漂移和輸入偏置之外，LT1991還能夠接受高達60V的輸入電壓，并具有一個75dB的CMRR指標。

專用電流檢測放大器

盡管高共模電壓所提供的準確度有可能讓人無法接受，但是，采用一個具有精確匹配電阻器的精準差分放大器還是能夠起到上佳的作用。假設(shè)采用一個具有1mV固定失調(diào)電壓的放大器來測量一個檢測電阻器兩端的100mV電壓。這將轉(zhuǎn)化成一個1% 的準確度?，F(xiàn)在，如果在一個必須被衰減10倍的高共模電壓條件下對該100mV電壓進行測量，則100mV信號到達放大器輸入端時將是10mV。此時，準確度下降至原先的10%。電阻器匹配誤差和共模抑制誤差（CMRR）還將使準確度進一步下降。

對于高電壓、高端測量而言，專用高端電流檢測放大器是一種更好的選擇，因為它們是專為能夠以超群的精度在高共模電壓條件下運作而設(shè)計的。這些放大器擁有眾多的功能，旨在滿足各種應(yīng)用的需要。

圖2 LTC6101HV可容易地與一個ADC相連

圖3 通過引腳搭接來選擇增益，無需使用外部元件

作為通用型高端電流檢測放大器（此時，外形尺寸和設(shè)計靈活性是很重要的指標），不妨考慮采用凌特公司的LT6100。這款高端電流檢測放大器包括一個輸出緩沖器以及用于設(shè)定6種增益配置和0.5% 增益準確度的內(nèi)部電阻器，所有這些部件均集成于一個占板面積為9mm2的封裝之中。LT6100的輸入是一個具有300μV低失調(diào)電壓并能夠接受高達48V的全差分電壓堅固型差分放大器。因此，該器件可監(jiān)視一個熔斷器或MOSFET（而無需顧及開路），并能承受一個-48V的反向輸入條件。提供了一個單獨的2.7V至36V的電源輸入，且器件僅需消耗60μA的電流。當(dāng)斷電時，輸入引腳變?yōu)楦咦杩範顟B(tài)，從而阻止了電流吸收。輸入電路能夠承受大差分電壓并在斷電時使其自身基本斷接，這使得該器件非常適合在某些故障條件下使用。在有些場合中，人們或許更希望采用一款能夠啟動故障快速響應(yīng)的高速高端放大器。

系統(tǒng)中的電感性元件會對系統(tǒng)造成嚴重的破壞，并引發(fā)很大的共模波動。如果您希望保護自己的設(shè)備免遭負載故障或高電壓反激條件的損壞，則對有可能產(chǎn)生的電壓以及避免系統(tǒng)受損所需的速度進行評定是很重要的。對于高達105V的峰值電壓，凌特公司的LTC6101能夠?qū)φ麄€故障過程進行連續(xù)監(jiān)視。該器件的響應(yīng)時間為1μs，還能夠啟動一個快速停機操作。

對于高端電流檢測而言，另一個有價值的特征是具備雙向操作能力。例如：一個具有充電和放電電流的電池式設(shè)備就有可能需要進行雙向電流檢測。實現(xiàn)該目標的方法之一是把兩個單向器件（比如：LTC6101和LT6100）組合起來使用。另一種可選方案是采用凌特的LT1787高性能雙向電流檢測放大器。LT1787加上一個外部檢測電阻器可提供一種用于實現(xiàn)準確、雙向電流檢測的簡易、緊湊型解決方案。即使在采用低值、低插入損耗檢測電阻器的情況下，也能夠?qū)崿F(xiàn)高于1/10000的電流分辨率。LT1787的技術(shù)規(guī)格是專為在2.5V至60V的電源電壓條件下使用而擬訂的，只需要60μA（最大值）的電源電流。

應(yīng)用

具有16位分辨率的低功耗電流監(jiān)視器

凌特公司的LTC6101的速度和準確度使其非常適合直接與一個ADC（比如凌特的16位ΔΣ型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器LTC2433）相連。LTC6101是一款獨特的電流檢測放大器，可通過放大器的輸入和輸出電阻器來提供控制。這些電阻器是影響增益準確度的主要因素，因此，采用1% 精度的電阻器可使您輕松實現(xiàn)優(yōu)于0.2% 的增益準確度。此外，用戶還能夠靈活地設(shè)定增益和輸出阻抗，以優(yōu)化ADC接口。該解決方案采用了纖巧的表面貼裝型元件和兩個外部電阻器，因而具有很高的空間和功率利用率。這款電路的典型功耗低于500mA。

圖4 施加偏壓可使輸出在采用單工作電源時指示電流的方向

具有12kHz滾降頻率的0A~33A、高端電流監(jiān)視器

LT6100最簡單、最實用的應(yīng)用之一是作為一個大動態(tài)范圍電流監(jiān)視器。由于它的失調(diào)電壓僅為300μV，因此，采用一個3mΩ分流電阻器就能夠提供100mA的分辨率和一個33A的全標度范圍。在這款電路中，該器件采用一個單3V電源。當(dāng)斷電時，LT6100輸入與系統(tǒng)基本“斷接”，因為它一般僅吸收1nA的輸入電流。在濾波器輸入引腳FIL上連接一個220pF電容器可提供一個12kHz差分噪聲滾降頻率，而且，通過引腳A4和A2來配置內(nèi)部電阻器可選擇一個25V/V的增益。

一個單電源上的充電/放電電流監(jiān)視器

通過允許直接使用凌特公司的LT1787的輸出電阻器，可給該雙向器件的輸出施加期望中間點的偏置電壓。在本例中，采用一個外部電壓基準來給輸出施加偏壓（針對單電源操作）。輸入信號能夠擺動至偏置電壓以上和以下，以指示流經(jīng)檢測電阻器的正電流或負電流。本例中，該電路可在采用一個低至3.1V的電源電壓時正常運作。

結(jié)語

不管您正在設(shè)計的電路是用于工業(yè)、汽車、軍事還是通信系統(tǒng)，單片式電流檢測放大器都能夠在一個小型封裝之內(nèi)提供眾多的功能。利用單個高端電流檢測放大器可使電流的監(jiān)視和控制得以極大的簡化。由于電流檢測具有許多獨特的應(yīng)用，因此凌特公司開發(fā)了大量的電流檢測電路。其中，本指南介紹了用于高端和低端電流檢測、單向和雙向電流檢測以及高電流和低電流檢測的電路，并概要闡述了PCB電流檢測電阻器的設(shè)計。