【導讀】在很多功率電子系統中，需要對于電源正極輸出電流進(jìn)行檢測（也稱(chēng)高端電流檢測：High-Side Current Sensing），比如電機控制、線(xiàn)圈驅動(dòng)、電源管理（像 DC-DC轉換，電池檢測等）。在這些應用中，在電源的正極（高端）而非負極（也就是電流返回端）對電流檢測，可以提高電流檢測性能。
從01 高端電流檢測
在很多功率電子系統中，需要對于電源正極輸出電流進(jìn)行檢測（也稱(chēng)高端電流檢測：High-Side Current Sensing），比如電機控制、線(xiàn)圈驅動(dòng)、電源管理（像 DC-DC轉換，電池檢測等）。在這些應用中，在電源的正極（高端）而非負極（也就是電流返回端）對電流檢測，可以提高電流檢測性能。例如可以確定對地短路電流、檢測續流二極管中的電流。如果在電源負端使用分流器來(lái)獲取電源電流可能會(huì )造成地線(xiàn)電位的不一致。下面圖1， 圖2 顯示了使用高端檢測電機和電磁線(xiàn)圈電流的電路配置。
▲ 圖1 電磁線(xiàn)圈驅動(dòng)電路中的高端電流檢測
▲ 圖2 H-橋電機驅動(dòng)電路高端電流檢測電路
▲ 圖3 三相電機驅動(dòng)高端電流檢測
在上面三個(gè)電流檢測應用中，如果使用PWM驅動(dòng)，那么在電流檢測電阻上的共模電壓的擺動(dòng)范圍是從0V到電池電壓。這種PWM輸入信號是一個(gè)周期性，高頻，快速上升下降的特性，是由電路中功率場(chǎng)效應管所產(chǎn)生的。因此，用于對高端電流分流器進(jìn)行信號處理的運算放大器需要能夠同時(shí)具有極強的共模抑制能力、增益高、精確度高、（電壓、電流）偏置低的特點(diǎn)。
圖1所示的電磁線(xiàn)圈驅動(dòng)電路中，MOS場(chǎng)效應管驅動(dòng)線(xiàn)圈的電流總是從上往下流動(dòng)，因此單向電流檢測即可滿(mǎn)足要求。但在圖2，圖3所示的電機驅動(dòng)電路中，電流是雙向的，因此需要電路能夠處理正負電流信號。
設計者會(huì )發(fā)現現在有很多半導體公司提供了不同用于放大高端電流檢測的芯片。其中一個(gè)重要值得注意的現象，那就是在所有可備選的電流檢測IC芯片里，可以分成兩大類(lèi)別：一類(lèi)為電流檢測放大芯片，另外一類(lèi)是 差分放大芯片 。
這里，我們將會(huì )指出和解釋上述兩類(lèi)信號處理芯片的主要差別，幫助電子工程師面對應用需求時(shí)選擇最適合的高端電流檢測方案。下面以雙向差分高電壓運算放大器 AD8206[3] 與雙向電流檢測放大器 AD8210[4] 為例進(jìn)行對比。這兩款運放具有相同的外部管腳，都可以用于高端電流檢測，但他們的性能和內部結構卻不相同。那么問(wèn)題來(lái)了，在實(shí)際應用中究竟選擇哪一種方案呢？ 。
§02 工作基本原理
圖4給出了AD8206集成高電壓差分放大器，可以最高承受65V的功波電壓。芯片輸入端使用了 16.7:1 的反壓電阻將共模電壓限制在運放A1的輸入電壓范圍內?？上?，輸入分壓電阻也將差分信號做了等比例的衰減，因此通過(guò)A1、A2兩級提供的 344V/V 的電壓增益，可以獲得 20V/V 整體電壓放大倍數。
▲ 圖4 AD8206簡(jiǎn)化原理圖
為了實(shí)現雙向電流檢測，可以通過(guò)一個(gè)低阻參考電壓源為AD8206中輸出放大器A2的正輸入端設置一個(gè)正的參考電壓。該芯片甚至可以在共模電壓為負的時(shí)候繼續提供對電流分流電阻上的電壓信號的放大。
下圖（圖5）給出了最近剛推出的高電壓電流傳感器放大電路AD8210，它的功能與AD8206 相類(lèi)似，管腳定義都一樣，但它的工作原理卻不同，也帶來(lái)了不同的技術(shù)指標。
▲ 圖5 AD8210內部功能圖
最大的區別在于A(yíng)D8210的輸入并不使用衰減電阻網(wǎng)絡(luò )來(lái)減少高的功波電壓，它的輸入端使用 XFCB IC的制作工藝所產(chǎn)生的高壓三極管，對應的VCE可以高達65V，從而可以承受高達65V的公模輸入電壓。
AD8210對于小的電流差分信號進(jìn)行放大的方式參加圖5。芯片上第一放大器A1的正負兩端分別通過(guò)R1、R2連接到電流采樣電阻兩端，A1通過(guò)控制三極管Q1，Q2導通電流來(lái)抵消在正負輸入端的電壓。Q1，Q2的導通電流在內部精確匹配的電阻上產(chǎn)生成比例的電壓（已經(jīng)沒(méi)有了共模電壓了），經(jīng)過(guò)放大器A2放大輸出。A2由+5V供電，輸出的電壓與輸入差分電壓的比例為 20:1 。
AD8210電流放大器的電路結構中輸入結構要求輸入信號功波電壓需要大于 2V 或者 3V ，不能小于0。在A(yíng)D8210內部通過(guò)內置的上拉電阻提升A1輸入電壓，這樣就可以使得輸入共模電壓可以低至 -2V 。
§03 兩種芯片的差異
很顯然，電流傳感放大器（AD8210）與差分放大器（AD8206）在工作機制上有明顯的差異。前者是將輸入差分信號轉換成對地的不同電流，再由芯片內部的電阻轉換成沒(méi)有共模電壓的差分信號經(jīng)由后級運發(fā)放大輸出，芯片主要依靠高壓半導體工藝來(lái)抵抗共模高壓的。而后者則是通過(guò)輸入衰減電阻網(wǎng)絡(luò )將信號進(jìn)行統一衰減后，再利用差分放大對輸入信號中的差分信號進(jìn)行放大，芯片則依靠電阻網(wǎng)絡(luò )來(lái)衰減共模高壓的。
雖然在兩個(gè)芯片的數據手冊中已經(jīng)將它們的主要性能指標進(jìn)行了說(shuō)明，但一些基于內部結構差異所帶來(lái)的不一樣則不能從芯片數據手冊中立即看清楚。下面列出一些關(guān)鍵點(diǎn)，幫助設計最佳的解決方案。
1、放大器帶寬
由于對輸入信號的衰減，所以通過(guò)差分放大方案通常只有電流傳感放大器的頻率響應帶寬的 五分之一 左右。盡管如此，這兩款芯片的帶寬還是能夠滿(mǎn)足大部分應用需求。
比如對于電磁鐵驅動(dòng)中，通常需要大于20kHz的PWM驅動(dòng)，考慮到噪聲對于電流信號放大帶寬也要求大于20kHz。對于電磁鐵控制往往著(zhù)重考慮平均電流的穩定性，所以對于信號帶寬要求不高。但在電機控制中的電流采樣中，特別是對PWM信號控制下的電流順時(shí)電流采集，則要求更高的電流放大帶寬，此時(shí)就需要考慮使用電流傳感放大器（AD8210）替代AD8206了，它可以輸出電流信號更準確的電流波形。
▲ 電流波形與AD8206輸出的電壓波形
2、共模抑制比
對于共模電壓的抑制性能方面，電流放大器可以提供更高的共模電壓抑制（CMR：Common-Mode Rejection）性能。比如AD8210，通過(guò)內部精確匹配的高壓三極管，可以提供高達 100-dB 的CMR。依賴(lài)于衰減電阻網(wǎng)絡(luò )的AD8206，由于只能做到0.01%的精度，因此它的的CMR為 80-dB 左右。
3.外部濾波網(wǎng)絡(luò )影響
為了抑制電流噪聲，在放大電路輸入端增加RC低通濾波器。比如下圖中，就使用了Rf,Cf組成了電流信號的低通濾波器。
▲ 圖6 輸入濾波網(wǎng)絡(luò )
對于差模放大器，它的輸入電阻阻抗大于100kΩ。比如AD8206它的輸入電阻為200kΩ，如果外部電流濾波電阻Rf為200歐姆，所產(chǎn)生的增益誤差大約為 0.1%。如果兩個(gè)低通濾波器電阻Rf之間的匹配誤差也在1%左右，那么所產(chǎn)生的CMR影響大約 94-dB ，不會(huì )對器件本身所具有的 80-dB 造成很大的 影響。
但是對于電流傳感方式的放大器，它具有很高的公模輸入電阻。但為了將輸入差分電壓轉換成差分電流，則放大器的輸入電阻Rin則只有5kΩ左右。比如AD8210它的Rin為3.5k歐姆。由此外部低通濾波器所帶來(lái)的增益誤差則高達 5.4% ！同時(shí)，CMR也降低到 59-dB 。
所以在采用電流放大器時(shí)，對于外部低通濾波網(wǎng)絡(luò )參數需要特別考慮，比如濾波電阻最好小于10歐姆。
4、輸入過(guò)載
在偶然情況下，如果負載出現了過(guò)壓、過(guò)流，這樣就會(huì )在電流傳感放大器AD8210兩端造成極大的差分電壓，從而可以引起芯片的損壞。對于采用差分放大的AD8206來(lái)說(shuō)，對于負載面臨的過(guò)流、過(guò)壓則會(huì )有更寬的承受范圍，并不容易引起芯片的崩潰。
5、反向電壓保護
在有些情況下，可能出現設備電源電壓接反，這樣就會(huì )在電流放大器兩端產(chǎn)生復制非常高的負共模電壓。具有分壓電阻網(wǎng)絡(luò )輸入的差分放大器（AD8206）對于這種偶然出現的負共模電壓有很強的的忍受能力，但對于A(yíng)D8210則情況大為不妙了。由于它的輸入Rin阻值相對較小，大的負共模電壓就會(huì )使得芯片中的ESD二極管導通，從而引起內部電路損壞。
6、輸入偏置電流
在一些低功耗應用電路中，需要考慮芯片的靜態(tài)工作電流。對于A(yíng)D8206它的輸入電阻網(wǎng)絡(luò )即使在芯片不供電的情況下，電阻網(wǎng)絡(luò )依然消耗高端電源電流。對應的AD8210，則會(huì )在電路掉電之后，也將內部的晶體管電路關(guān)閉，所以幾乎不再消耗任何電源電流了。因此，在電池供電的低功耗應用中，AD8210可能會(huì )更合適一些。
§04 電流檢測方案總結
在電動(dòng)車(chē)、通訊、消費類(lèi)產(chǎn)品以及工業(yè)應用中，高端電流檢測被廣泛應用?；诓罘蛛妷悍糯蟮臋z測與基于電流檢測放大兩個(gè)檢測方案可以在設計中被采用。雖然這些IC在功能和管腳定義上相同，但面臨采集精度、系統可靠性方面要求高的時(shí)候，則需要根據兩者方案內部機理不同考慮選擇合適的電流檢測方案。下面表格中給出了這兩種方案的對比。
【表格1 對比電流放大與差分放大方案】
參考資料
[1]High-Side Current Sensing: Difference Amplifier vs. Current-Sense Amplifier:
https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/high-side-current-sensing.html
[2]本文原文的PDF下載:https://www.analog.com/media/en/analog-dialogue/volume-42/number-1/articles/high-side-current-sensing.pdf
[3]AD8206:https://www.analog.com/en/products/ad8206.html
[4]AD8210:https://www.analog.com/en/products/ad8210.html
（來(lái)源：面包板社區，作者:TsinghuaJoking）
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