淺談電流消耗和壓降的電流檢測方案

與十年前相比，現(xiàn)在的電子產(chǎn)品具有更多的功能。工程師們不得不設(shè)計精密的系統(tǒng)，常以“創(chuàng)造性”滿足嚴(yán)格的功率預(yù)算，以保持高能效。預(yù)測系統(tǒng)的維護(hù)和保護(hù)需要快速反應(yīng)系統(tǒng)的響應(yīng)。一個關(guān)鍵功能是監(jiān)測系統(tǒng)的電流消耗和壓降。

在所有的電流檢測法中，使用放大器監(jiān)測分流的電流是到目前為止最常用的方法。電流檢測可以使用電流檢測放大器（CSA）或帶有外部增益設(shè)置電阻的運算放大器（Op Amp）來實現(xiàn)（圖1）。這兩者的選擇，取決于性能要求和物料單（BOM）的目標(biāo)成本。

Typical op amp current sensing requires 2 to 4 precision resistors：普通的運放電流檢測需要2至4個精密的電阻

NCS21xR has integrated precision resistors：NCS21xR集成精密的電阻

圖1（a）帶有外部增益設(shè)置電阻的運算放大器 圖1（b）電流檢測

從性能的角度，增益設(shè)置電阻之間的不匹配會影響電流測量的精度，繼而影響并聯(lián)器件的尺寸。其他設(shè)計考慮因素包括器件規(guī)格（輸入偏置電壓、共模抑制、增益誤差）、并聯(lián)器件尺寸、分流位置和PCB布局。我們將在隨后的博客中深入分析這些因素。現(xiàn)在，讓我們大體看看這些因素。

我們選取了四個放大器（LM358，NCS20081，NCS333和NCS214R），比較從通用到精密放大器（圖2和圖3中從左到右）的性能優(yōu)勢。

NCV214R集成增益設(shè)置電阻，以獲得更好的匹配和共模性能。其他的則需要外部電阻網(wǎng)絡(luò)。假設(shè)在LM 358、NCS20081和NCS333的性能比較中使用了匹配的電阻網(wǎng)絡(luò)。NCS214R提供最高的精度（圖2）和極高能效的方案（圖3）。

With a 50 mV shunt drop： 14% offset error

50 mV分流壓降：14%偏置誤差

With a 50 mV shunt drop： 7% offset error

50 mV分流壓降：7%偏置誤差

With a 50 mV shunt drop： 0.02% offset error

50 mV分流壓降：0.02%偏置誤差

With a 50 mV shunt drop： 0.12% offset error

50 mV分流壓降：0.12%偏置誤差

Reduce offset voltage：減小偏置電壓

Improve accuracy：提高精確度

System performance improves：系統(tǒng)性能提升

圖2：對于固定的分流壓降（例如50 mv），偏置誤差有幾個數(shù)量級的差異

To achieve 2% offset error： 350 mV shunt drop

要達(dá)到2%偏置誤差：分流壓降350 mV

To achieve 2% offset error： 175 mV shunt drop

要達(dá)到2%偏置誤差：分流壓降175 mV

To achieve 2% offset error： 0.5 mV shunt drop

要達(dá)到2%偏置誤差：分流壓降0.5 mV

To achieve 2% offset error： 3 mV shunt drop

要達(dá)到2%偏置誤差：分流壓降3 mV

Reduce voltage drop across sense resistor：減小檢測電阻壓降

Reduce power dissipation：降低功耗

System efficiency improves：系統(tǒng)能效提升

圖3：若要實現(xiàn)最大的系統(tǒng)能效，對于固定的偏置誤差，較低的分流壓降會降低功耗

從BOM成本的角度，一個匹配良好的電阻網(wǎng)絡(luò)將貴（~1美元）到足以抵消使用通用運放（~0.10美元）節(jié)省的成本。雖然電流檢測放大器貴，但當(dāng)比較完整的方案成本時，它們很可能比運放方案更便宜。

但是等等！不僅僅如此…另一個優(yōu)勢是：方案的尺寸。帶外部電阻網(wǎng)絡(luò)的運放不會像uQFN或SC70中的NCS21xR那樣小。