電流檢測(cè)放大器兩種適合類型介紹

電流檢測(cè)電阻器，也稱為分流器，是測(cè)量電流的首選技術(shù)。為了不對(duì)電流產(chǎn)生不利影響，分流器的電阻值較小，在兩端產(chǎn)生成比例的小電壓。因此，設(shè)計(jì)人員必須利用放大此小電壓的電路，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 進(jìn)行上游轉(zhuǎn)換。

分流電阻器兩端的小電壓通常必須從數(shù)十或數(shù)百毫伏增加到零點(diǎn)幾伏。此任務(wù)通常由運(yùn)算放大器或電流檢測(cè)放大器來執(zhí)行。電流檢測(cè)放大器是一種專用運(yùn)算放大器，集成了激光微調(diào)的精密電阻網(wǎng)絡(luò)，用以設(shè)置增益。通常，放大器電壓增益大約為 20 到 60 級(jí)，有時(shí)甚至更大。

電流檢測(cè)放大器在同一封裝中可能包含或不包含分流電阻器。對(duì)于高功率應(yīng)用，優(yōu)選外部分流電阻器，因?yàn)楣β屎纳?huì)產(chǎn)生熱量。

用于監(jiān)控電流的最常見信號(hào)鏈配置包括分流電阻器、模擬前端 (AFE)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和系統(tǒng)控制器（圖 1）。AFE（例如運(yùn)算放大器或?qū)Ｓ秒娏鳈z測(cè)放大器）將分流電阻器兩端產(chǎn)生的小差分電壓轉(zhuǎn)換為 ADC 可用的電壓。

圖 1：測(cè)量電流的最簡單方法是使用分流電阻器（最左側(cè)），電阻器上產(chǎn)生的電壓與流經(jīng)它的電流成正例。為了使用完整的 ADC 測(cè)量范圍，模擬前端 (AFE) 會(huì)放大分流電阻器兩端的低電壓。（圖片來源：Texas Instruments）

將分流電阻器連接到電路中用于低壓側(cè)和高壓側(cè)電流測(cè)量有兩種基本方法。兩種方法各有不同的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。

低壓側(cè)電流測(cè)量

低壓側(cè)電流測(cè)量將分流電阻器放置在有源負(fù)載和接地之間。用于低壓側(cè)電流測(cè)量的最合適電路如圖 2 所示。該電路使用 Texas Instruments INA181 電流檢測(cè)放大器，但許多其他放大器也可用于低壓側(cè)測(cè)量。

圖 2：使用 Texas Instruments INA181 的低壓側(cè)電流測(cè)量電路將電流檢測(cè)電阻器放置在有源負(fù)載和接地之間。（圖片來源：Texas Instruments）

低壓側(cè)電流測(cè)量很容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榉至麟娮杵鲀啥说?a target="_blank">檢測(cè)電壓以接地為參考。此配置允許電流檢測(cè)放大器為低壓部分，因?yàn)楸粰z測(cè)的電壓為僅高于接地參考的毫伏量級(jí)。在此配置中，檢測(cè)電壓不會(huì)在更高的電壓上工作，因此不需要共模抑制。低壓側(cè)測(cè)量法是最簡單、實(shí)現(xiàn)成本最低的方法。

低壓側(cè)電流測(cè)量的缺點(diǎn)在于，由于分流電阻器的放置，負(fù)載不再以接地為參考，導(dǎo)致負(fù)載的低壓側(cè)高于接地電壓幾毫伏。

如果負(fù)載和接地之間存在短路，則無接地參考可能成為一個(gè)問題。例如，如果金屬封閉負(fù)載（例如電動(dòng)機(jī)）的接地參考外殼存在繞組短路，則會(huì)發(fā)生此類短路。電流檢測(cè)電阻器可能無法檢測(cè)到此類短路。

此外，放大器的共模輸入電壓必須包括接地以進(jìn)行低壓側(cè)測(cè)量。對(duì)于采用正負(fù)電源供電的放大器來說，這通常不是問題，但對(duì)于采用單電源供電的放大器來說，這可能是一個(gè)問題。因此，當(dāng)選擇合適的放大器進(jìn)行低壓側(cè)測(cè)量時(shí)，包含接地的共模電壓范圍就成為一項(xiàng)重要的標(biāo)準(zhǔn)。

進(jìn)行低壓側(cè)電流測(cè)量還有一個(gè)重要方面。請(qǐng)注意，圖 2 中的 Texas Instruments ADS114 ADC 直接接地，該 ADC 的低壓側(cè)輸入節(jié)點(diǎn)靠近 INA181 電流檢測(cè)放大器的輸入接地參考連接。

對(duì)于使用低阻分流電阻器上產(chǎn)生的小電壓（通過的是高負(fù)載電流）進(jìn)行的電流檢測(cè)，務(wù)必記住所有接地可能不并處于相同的電勢(shì)。當(dāng)?shù)孛婢W(wǎng)絡(luò)或接地平面承載與許多電源應(yīng)用關(guān)聯(lián)的高電流時(shí)，系統(tǒng)中的一個(gè)接地點(diǎn)和另一個(gè)接地點(diǎn)之間很容易發(fā)生毫伏級(jí)別的電勢(shì)差。作為預(yù)防措施，必須將相關(guān)接地參考接線保持在彼此非常接近的位置，以最大限度地減小接地參考之間的電壓差。

要消除此誤差源，ADC 的接地參考引腳必須靠近電流檢測(cè)電阻器的低壓側(cè)和電流檢測(cè)放大器的低壓側(cè)輸入端。連接點(diǎn)是接地平面的重要部分，絕不能圖方便。為確保無誤，直接在原理圖上記下此要求，并顯示接地參考的星形連接，以確保真正強(qiáng)調(diào)了這一點(diǎn)。

同樣，當(dāng)電流檢測(cè)電阻器兩端的電壓很小時(shí)，電流檢測(cè)放大器的輸入補(bǔ)償電壓會(huì)不成比例地影響放大精度。因此，最好選擇輸入補(bǔ)償電壓非常低的放大器。以上圖 2 所示的 INA181 放大器的輸入補(bǔ)償電壓為 ±150 微伏，適用于無共模電壓的低壓側(cè)測(cè)量配置。

盡管有幾個(gè)缺點(diǎn)，但如果負(fù)載不需要參考接地，并且負(fù)載和接地之間的內(nèi)部短路不是問題，也不需要通過電流測(cè)量電路進(jìn)行檢測(cè)，那么低壓側(cè)電流測(cè)量配置就是一個(gè)很好的選擇。

但是，對(duì)于必須滿足功能安全要求的設(shè)計(jì)，高壓側(cè)電流測(cè)量技術(shù)更適合。

高壓側(cè)電流測(cè)量

高壓側(cè)電流測(cè)量將分流電阻器插入電源和有源負(fù)載之間，如圖 3 所示，使用 Texas Instruments INA240 電流檢測(cè)放大器作為 AFE。該器件的共模輸入電壓可以遠(yuǎn)超其供電電壓，使其成為高壓側(cè)電流測(cè)量的理想選擇。

圖 3：高壓側(cè)電流測(cè)量電路將電流檢測(cè)電阻器放置在電源和有源負(fù)載之間。（圖片來源：Texas Instruments）

與低壓側(cè)測(cè)量相比，高壓側(cè)電流測(cè)量具有兩個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。首先，很容易檢測(cè)負(fù)載內(nèi)部對(duì)接地產(chǎn)生的短路，因?yàn)楫a(chǎn)生的短路電流將流過分流電阻器，在其兩端產(chǎn)生電壓。其次，這種測(cè)量技術(shù)不參考接地，因此流過接地平面的高電流產(chǎn)生的差分接地電壓不會(huì)影響測(cè)量。但是，將 ADC 的接地參考連接小心地放置在放大器接地附近仍然是一種好的做法。

高壓側(cè)電流測(cè)量技術(shù)有一個(gè)主要缺點(diǎn)。如上所述，它要求電流檢測(cè)放大器具有高共模抑制，因?yàn)樵诜至髌鲀啥水a(chǎn)生的小電壓恰好低于負(fù)載供電電壓。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該共模電壓可能非常大。圖 3 中的 INA240 電流檢測(cè)放大器具有 -4 至 80 伏的寬共模范圍。

是否集成增益電阻器？

圖 2 和圖 3 顯示了低壓側(cè)和高壓側(cè)電流測(cè)量配置，均采用帶集成增益設(shè)定電阻器的電流檢測(cè)放大器。這些集成電阻器具有許多設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，包括簡化設(shè)計(jì)、減少電路板元器件和激光微調(diào)增益精度。使用此類放大器的一大缺陷是增益在出廠時(shí)就已永久性設(shè)定。如果增益設(shè)定適合既定應(yīng)用，這就不是問題。但是，如果為了滿足其他標(biāo)準(zhǔn)而選定分流電阻器的阻值，導(dǎo)致應(yīng)用需要獨(dú)特的增益，則運(yùn)算放大器與分立電阻器相結(jié)合是更好的選擇。

圖 4 顯示了一個(gè)用于高壓側(cè)電流測(cè)量的電流檢測(cè)放大器電路，它基于 Microchip Technology MCP6H01 運(yùn)算放大器和分立式增益設(shè)定電阻器。

圖 4：采用分立電阻器和運(yùn)算放大器的高壓側(cè)電流測(cè)量配置。（圖片來源：Microchip Technology）

在該電路中，按 R2 除以 R1 的比率設(shè)定放大器增益。另請(qǐng)注意，R1* = R1，R2* = R2，并且分流電阻器 RSEN 應(yīng)該比 R1 或 R2 都小得多。這通常不是問題，因?yàn)閷?duì)于電流非常高的應(yīng)用來說，分流電阻器的值通常為毫歐量級(jí)甚至不到一毫歐。

圖 4 中的公式清楚地表明，與采用具有內(nèi)部增益設(shè)置電阻器的電流檢測(cè)放大器相比，采用運(yùn)算放大器和分立電阻器需要的元器件規(guī)格更高。

總結(jié)

電流檢測(cè)放大器將分流電阻器兩端產(chǎn)生的低電壓轉(zhuǎn)換為更適合 ADC 進(jìn)行轉(zhuǎn)換的較大電壓。有兩種適合的電流檢測(cè)類型：低壓側(cè)和高壓側(cè)。低壓側(cè)測(cè)量將電流檢測(cè)電阻器插入負(fù)載和接地之間，而高壓側(cè)測(cè)量則將電流檢測(cè)電阻器插入電源和負(fù)載之間。低壓側(cè)和高壓側(cè)測(cè)量配置都有不同的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，因此選擇時(shí)需要考慮特定應(yīng)用。

在測(cè)量電流時(shí)，可以使用專用電流檢測(cè)放大器（在出廠時(shí)使用集成激光微調(diào)電阻器設(shè)置增益）或適合的運(yùn)算放大器和分立電阻器。第一種選擇減少了電路板元器件的數(shù)量并簡化了 AFE 的設(shè)計(jì)。但是，如果 AFE 設(shè)計(jì)需要自定義增益以適應(yīng)特定的分流電阻器阻值和 ADC 輸入電壓范圍，則第二種選擇更合適。