電流檢測放大器在高端電流監(jiān)測中的應(yīng)用

電流測量仍然是大多數(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。電流檢測放大器提供安全可靠地監(jiān)控電流所需的關(guān)鍵功能。為了在能量采集設(shè)計(jì)中增加電流檢測功能，工程師可以利用制造商提供的各種電流檢測放大器，包括ADI公司，凌力爾特公司，Maxim Integrated公司，德州儀器公司和Touchstone半導(dǎo)體公司等。

測量電流的能力在廣泛的應(yīng)用中很重要，但在與能量產(chǎn)生和存儲相關(guān)的能量收集應(yīng)用中通常是至關(guān)重要的。對于能量產(chǎn)生，電流感測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。對于電池組中的能量存儲，測量電池單元電流放電的能力對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，電流測量通常依賴于電壓的精確測量低側(cè)檢測電阻串聯(lián)接地（圖1a），或與電源串聯(lián)的高側(cè)檢測電阻（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）。

低端電流測量通?？梢圆捎脗鹘y(tǒng)的差分放大器，這為這種類型的測量提供了一種簡單有效的方法。另一方面，低側(cè)電流測量存在一些明顯的缺點(diǎn)。低負(fù)載檢測電阻位于負(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）。

高端測量

高端測量消除了這些問題，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蓴_電池充電器的接地路徑。但是，高端測量會對設(shè)備選擇和操作帶來額外的要求。對于這種測量配置，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放大器（也稱為電流分流監(jiān)控器）來滿足對改進(jìn)的高端電流測量的需求，能夠?yàn)闇y量電流提供可靠的解決方案。特別是對于能量收集設(shè)計(jì)，電流檢測放大器通常優(yōu)于差動放大器。與差動放大器不同，電流檢測放大器的設(shè)計(jì)工作輸入電平超過器件自身的電源電壓。

德州儀器（TI）INA282等器件可以在-14至+80 V的共模電壓下檢測分流器的壓降。 ，與電源電壓無關(guān)。同時(shí)，電流檢測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)精確測量。對于TI INA282，其低偏移使電流檢測能夠在分流器上實(shí)現(xiàn)最大壓降，滿量程低至10 mV。

電流檢測放大器還具有高共模抑制比，即使在相對處理時(shí)也能保持高精度高壓和共模噪聲。由于電流檢測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。 ADI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Texas Instruments 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

電流檢測放大器提供這些優(yōu)勢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放大器，工程師可以實(shí)現(xiàn)針對能量收集應(yīng)用而優(yōu)化的高端電流測量電路。