電流檢測(cè)放大器在高端電流監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

簡(jiǎn)介

電流測(cè)量是大多數(shù)能量采集設(shè)計(jì)和一般功率敏感電子應(yīng)用的基本要求。測(cè)量電流的能力在廣泛的應(yīng)用中很重要，但在與能量產(chǎn)生和存儲(chǔ)相關(guān)的能量收集應(yīng)用中通常是至關(guān)重要的。對(duì)于能量產(chǎn)生，電流感測(cè)提供了防止諸如過電流之類的故障所需的反饋和控制中的關(guān)鍵因素。對(duì)于電池組中的能量存儲(chǔ)，測(cè)量電池單元電流放電的能力對(duì)于確保最大化電池壽命所需的安全充電和放電周期至關(guān)重要。

在大多數(shù)應(yīng)用中，電流測(cè)量通常依賴于電壓的精確測(cè)量低側(cè)檢測(cè)電阻串聯(lián)接地(圖1a)，或與電源串聯(lián)的高側(cè)檢測(cè)電阻(圖1b)。

圖1：工程師可以在負(fù)載的低(a)或高壓側(cè)(b)實(shí)現(xiàn)電流測(cè)量，每種方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)(線性技術(shù)提供)

低端電流測(cè)量通?？梢圆捎脗鹘y(tǒng)的差分放大器，這為這種類型的測(cè)量提供了一種簡(jiǎn)單有效的方法。另一方面，低側(cè)電流測(cè)量存在一些明顯的缺點(diǎn)。低負(fù)載檢測(cè)電阻位于負(fù)載和地之間，可防止負(fù)載直接接地。此外，如果負(fù)載意外接地，這種配置可能導(dǎo)致危險(xiǎn)的高電流(圖2)。

圖2：低端電流測(cè)量可能導(dǎo)致危險(xiǎn) - 如果負(fù)載意外接地，則為高電流(由Maxim Integrated提供)

高端測(cè)量

高端測(cè)量消除了這些問題，允許負(fù)載保持與地面的直接連接，同時(shí)提供了一種方法檢測(cè)意外短路引起的高負(fù)載電流。高端電流監(jiān)控在電池供電系統(tǒng)中尤其有用，因?yàn)樗粫?huì)干擾電池充電器的接地路徑。但是，高端測(cè)量會(huì)對(duì)設(shè)備選擇和操作帶來額外的要求。對(duì)于這種測(cè)量配置，采用差分放大器的傳統(tǒng)方法效率較低，因?yàn)椴罘址糯笃鞯妮斎腚娮璐嬖陲@著差異，需要確保使用非常匹配的電阻來獲得可接受的共模抑制比。

IC制造商已經(jīng)采用一類專用電流檢測(cè)放大器(也稱為電流分流監(jiān)控器)來滿足對(duì)改進(jìn)的高端電流測(cè)量的需求，能夠?yàn)闇y(cè)量電流提供可靠的解決方案。特別是對(duì)于能量收集設(shè)計(jì)，電流檢測(cè)放大器通常優(yōu)于差動(dòng)放大器。與差動(dòng)放大器不同，電流檢測(cè)放大器的設(shè)計(jì)工作輸入電平超過器件自身的電源電壓。

INA282等器件可以在-14至+80 V的共模電壓下檢測(cè)分流器的壓降。與電源電壓無關(guān)。同時(shí)，電流檢測(cè)放大器具有極低的失調(diào)特性，即使在最低電壓電平下也能實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量。對(duì)于TI INA282，其低偏移使電流檢測(cè)能夠在分流器上實(shí)現(xiàn)最大壓降，滿量程低至10 mV。

電流檢測(cè)放大器還具有高共模抑制比，即使在相對(duì)處理時(shí)也能保持高精度高壓和共模噪聲。由于電流檢測(cè)放大器可以在輸入端獲得更好的匹配，因此共模抑制不再依賴于輸入電阻匹配。

與其他方法不同，電流檢測(cè)放大器不需要電阻網(wǎng)絡(luò)來衰減高壓輸入水平。實(shí)際上，這些器件可以與小型分流電阻一起使用，所有這些都可以在運(yùn)行期間實(shí)現(xiàn)極低的功耗。 TI的INA282采用+2.7至+18 V單電源供電，最大電源電流為900μA。與低功耗睡眠模式相結(jié)合，電流檢測(cè)放大器通常為功率敏感的能量收集應(yīng)用提供比早期方法更有效的解決方案。

多種選擇

設(shè)計(jì)人員可以找到各種電流檢測(cè)放大器，以滿足特定的帶寬，電流和封裝要求。除TI INA282等電壓輸出器件外，設(shè)計(jì)人員還可以找到電流輸出器件，如凌力爾特公司的LTC6102，它集成了將輸入電壓轉(zhuǎn)換為輸出電流的電路(圖3)。

圖3：除了可用的電壓輸出電流檢測(cè)放大器外，凌力爾特公司LTC6102等器件還包括用于產(chǎn)生電流輸出的內(nèi)部電路(由Linear Technology提供)

適用于要求極低功耗的應(yīng)用，Maxim Integrated MAX9938和Touchstone Semiconductor TS1102系列具有1μA(典型值)電源電流。兩者均具有+ 25°C時(shí)的極低輸入失調(diào)電壓，MAX9938提供±100μV(典型值)和±500μV(最大值)，而外形尺寸兼容的TS1102具有±30μV(典型值)和±200μV (最大值)。這兩款器件均支持低電源電壓工作，MAX9938工作電壓低至1.6 V，TS1102系列工作電壓低至2 V。

對(duì)于高速控制環(huán)路，設(shè)計(jì)人員可以找到增益帶寬產(chǎn)品的設(shè)備百kHz至超過1 MHz。 I公司的ADM4073提供1.8 MHz的增益帶寬積，特別適合用于電池充電器控制環(huán)路。同樣，Maxim Integrated MAX9611的增益帶寬積為2.5 MHz。

數(shù)字輸出

雖然電流檢測(cè)放大器通常提供電流或電壓輸出，但工程師可以找到直接與MCU接口的器件。 MAX9611集成了I2C控制的12位，500采樣/s ADC，可用于讀取檢測(cè)電阻，輸入共模電壓，運(yùn)算放大器/比較器輸出，運(yùn)算放大器/比較器兩端的電壓。參考電壓和內(nèi)部芯片溫度。 I2C總線兼容1.8和3.3 V邏輯，可輕松連接MCU。

設(shè)計(jì)人員還可以找到多通道版本的數(shù)字輸出電流監(jiān)視器。 Maxim Integrated提供具有I2C串行接口的雙通道MAX34408，而TexasInstruments INA3221則是具有I2C接口的三通道器件。兩款器件都使用類似的多路復(fù)用輸入連接到信號(hào)鏈頭部的高速ADC，用于監(jiān)控各種故障，如過流(圖4)。

圖4：多通道德州儀器(TI)INA3221等電流檢測(cè)放大器將每個(gè)輸入通道復(fù)用到片內(nèi)ADC，通過I2C接口向MCU產(chǎn)生數(shù)字輸出(由德州儀器公司提供)

結(jié)論

電流檢測(cè)放大器提供這些優(yōu)勢(shì)使其成為基于差分放大器的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的高端電流監(jiān)測(cè)的首選解決方案。除了高帶寬和共模特性外，這些器件還具有高精度和極低功耗的特點(diǎn)。利用可用的電流檢測(cè)放大器，工程師可以實(shí)現(xiàn)針對(duì)能量收集應(yīng)用而優(yōu)化的高端電流測(cè)量電路。

審核編輯：湯梓紅