中心議題：
- 結合使用放大器和檢測電阻
- 介紹一種簡(jiǎn)單方案
- 密切關(guān)注先進(jìn)的電流檢測放大器
解決方案：
- 凌力爾特科技公司的LTC6102可以直接實(shí)現高端電流檢測
絕大多數的模擬芯片(比較器、運算放大器、儀表放大器、基準源和濾波器等)都是用來(lái)處理電壓信號的。當用來(lái)處理電流信號時(shí)，設計師的選擇就較少了，且頭痛的事情也比較多。這是很不幸的，因為直接監控和測量電流具有很大的優(yōu)點(diǎn)。對于電機力矩、螺線(xiàn)管力、LED亮度、太陽(yáng)能電池光照以及電池能量等參數，通過(guò)觀(guān)測電流是最好的監控方式。因此需要一個(gè)能夠精密地檢測電流并將該電流轉換成易于常見(jiàn)的電壓型器件(放大器、比較器和ADC等)進(jìn)行放大、調節和測量的電壓的電路。
盡管一只電阻就可以將電流轉換成電壓，但電阻自身卻無(wú)法提供完整方案。最常用的方案是采用一只檢測電阻，將該電阻直接串聯(lián)在電流通道中，再用一個(gè)放大器來(lái)隔離并調節電阻上的電壓(VSENSE)。
圖1：電流檢測電路的原理。
圖2：實(shí)際的電流檢測電路。
結合使用放大器和檢測電阻
乍看起來(lái)，將一只電阻器與地串聯(lián)起來(lái)似乎與最直接的電流檢測方案很相似。這種技術(shù)就是眾所周知的低端電流檢測(圖3A)，該技術(shù)要求沒(méi)有接地路徑存在，因為接地路徑會(huì )對檢測電阻器周邊的電流分流，或者說(shuō)會(huì )使相鄰電路貢獻電流。特別是當機械外殼是系統地的話(huà)，要串聯(lián)進(jìn)一只檢測電阻器將是不實(shí)際的。同樣，由于地并非良導體，系統中不同點(diǎn)的接地電壓會(huì )不一致，從而在精密測量中需要采用一個(gè)差分放大器(圖3B)。
圖3A：低端電流檢測拓撲。 [page]
圖3B：低端電流檢測電路實(shí)現。
當實(shí)現低端電流檢測時(shí)有一個(gè)非常嚴重的問(wèn)題。在接地路徑中采用一只電阻器，意味著(zhù)負載的地電位隨著(zhù)電流的變化而變化。這將引起系統的共模誤差，并在與要求相同地電位的其他系統連接時(shí)出現問(wèn)題。因為VSENSE的幅度將影響分辨率，設計師需要在分辨率和接地噪聲方面進(jìn)行權衡。100mV的VSENSE滿(mǎn)量程將轉換成100mV的注入接地噪聲。但是，可以通過(guò)將電流檢測電阻器置于電源和負載之間來(lái)避免出現上述地電平的變化問(wèn)題。
這種替代方案被稱(chēng)作為高端電流檢測。同樣，位于檢測電阻兩端的差分電壓提供了直接的電流測量，但在電阻器的兩端存在一個(gè)非零的共模電壓。因此該電路也提出了技術(shù)挑戰，即必須將微小的差分檢測電壓與來(lái)自電源的共模電壓區分開(kāi)來(lái)(圖4)。
圖4：高端電流檢測。
對于低壓系統，儀表放大器或軌到軌差分放大器足以用來(lái)實(shí)現高端檢測電阻器的檢測。放大器的輸出必須轉換到地，且不能增加太大的誤差。而到電源電壓非常高時(shí)，就需要采用電路將VSENSE降低到放大器的共模范圍內，或者將放大器懸浮到電源電壓上。這樣，除了增大電路板空間和成本外，該技術(shù)還假定了共模電壓必須位于一個(gè)很小的規定范圍內。對于絕大多數的電流檢測應用，能夠預測大的共模波動(dòng)是非常有用的。例如，如果在電源電壓下降時(shí)電流檢測電路仍能工作的話(huà)，就可以指示出究竟是電源還是負載出現了問(wèn)題，電流過(guò)大時(shí)意味著(zhù)限流機制或負載發(fā)生了故障，反之，過(guò)小時(shí)則說(shuō)明是電源的故障。另一方面，電流檢測電路可能面對超過(guò)電源電壓的共模電壓。許多電流型器件，例如電機和螺線(xiàn)管，都呈感性，流通電流的快速變化會(huì )引起電感性回掃，從而在檢測電阻器上產(chǎn)生大的電壓擺幅。也正是在這些情況下放大器顯得最有用1。
簡(jiǎn)單方案
為了解決電流檢測的技術(shù)挑戰，出現了高端電流檢測放大器。這些特殊的放大器能夠從高共模電壓中提取由流經(jīng)小檢測電阻的電流產(chǎn)生的低差分電壓。該檢測電壓然后被放大并被轉換成以地為基準的信號。圖5給出了高端電流檢測放大器的基本拓撲結構。在這種情況下，放大器將一個(gè)等效于VSENSE的電壓強加到RIN上。通過(guò)RIN的電流被迫通過(guò)ROUT，從而產(chǎn)生一個(gè)以地為基準的電壓。 很顯然，對于基本的高端電流檢測放大器來(lái)說(shuō)，要求具有高輸入阻抗，具有高精度的高增益，具有良好共模抑制性能的寬共模范圍。還有一點(diǎn)不太明顯的是放大器的精度也很重要。 [page]
圖5：基本的高端電流檢測放大器。
1對于開(kāi)關(guān)或整流型負載，在開(kāi)關(guān)和負載之間安置一個(gè)傳感電阻器將會(huì )在放大器端引起一個(gè)較大的、且頻率可能很高的共模電壓。即便是放大器具有很高的共模抑制能力，當出現很大的高頻共模電壓時(shí)，也會(huì )導致CMRR誤差。為了避免這一不必要的難題，傳感電阻器應該對著(zhù)電源放置，以免受到整流電壓的影響。
阻抗是關(guān)鍵
理想情況下，電流和電壓檢測都不應影響所連接的負載。這意味著(zhù)電壓檢測器件應該具有近似無(wú)窮大的輸入阻抗，這樣才能確保對負載沒(méi)有明顯的分流。相反，電流檢測應該具有近似為零的輸入阻抗，這樣才能確保加到負載上的電壓不會(huì )明顯降低。高端電流檢測電路(放大器+電阻器)應滿(mǎn)足這兩項要求。用來(lái)檢測RSENSE上電壓的放大器必須具有高輸入阻抗，而用來(lái)檢測負載電流的電阻則必須非常小。
為了進(jìn)一步證明這一點(diǎn)，可以嘗試使用大檢測電阻。隨著(zhù)串聯(lián)電阻的增加，負載上的電壓下降。外部串聯(lián)的電阻是消耗能量的原因，過(guò)大的檢測電阻還會(huì )導致過(guò)度的熱耗散，從而引起長(cháng)期的可靠性問(wèn)題。
那么，是否有任何理由來(lái)使用大電阻呢？使用大電阻的主要優(yōu)點(diǎn)是增加總的輸出電壓(等式1)。這在放大器的增益固定或增益可配置能力有限時(shí)是有用的。
對檢測電阻的大小有一個(gè)限制。放大器的輸入范圍和最大期望電流將決定最大的可用檢測電阻(等式2)。
例如，如果通過(guò)檢測電阻的最大電流(ISENSE_MAX)預期為50mA，而高端電流檢測放大器所能接收的最大輸入電壓為250mV(VSENSE_MAX)，則最大檢測電阻為5ohms (RSENSE_MAX)。
理論上，不應該強迫設計師通過(guò)增加檢測電阻來(lái)補償放大器。只要放大器能夠以足夠的增益和精度工作，設計師就應該使用最小可接受的檢測電阻。這可以根據電流檢測放大器的輸入偏置電壓和必須處理的最小電流來(lái)計算。
例如，如果需要1mA的分辨率(IRES)，而高端電流檢測放大器的偏置電壓是1mV (VOFFSET)，最大檢測電阻則應為1ohm (RSENSE_MIN)。方程3強調了一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，即最小檢測電阻直接與高端電流檢測放大器的偏置電壓有關(guān)。
密切關(guān)注先進(jìn)的電流檢測放大器
由于具有高端電流檢測的精度，新一代高端電流檢測放大器的性能相對于上一代有了顯著(zhù)的改善。例如，凌力爾特科技公司的LTC6102就是一款結合了零漂移技術(shù)的最新高端電流檢測放大器。該放大器的輸入偏置電壓只有10μV，最大偏置漂移只有50nV/℃。與上一代的電流檢測放大器相比，LTC6102可以使用更小的檢測電阻2。如果系統能夠允許更大的VSENSE， LTC6102可以接收高達2V的檢測電壓。這種組合偏置加上這一最大檢測電壓可以使放大器提供106dB的動(dòng)態(tài)范圍，從而能夠處理來(lái)自電流放大器的微安級電流。用它可以檢測更小的電流，因為可以利用外部電阻達到任意的增益值。通過(guò)利用精密電阻器，增益精度可以?xún)?yōu)于99%。
圖6：凌力爾特科技公司LTC6102可以直接實(shí)現高端電流檢測。配置該器件只需一個(gè)RSENSE和兩個(gè)增益電阻器。設計師可以通過(guò)選擇RIN和 ROUT來(lái)定制功耗、響應時(shí)間以及輸入/輸出阻抗特性。[page]
LTC6102也并不犧牲其他重要的電流檢測功能。高輸入阻抗將輸入偏置電流限制在300pA以下。LTC6102在高達105V的共模輸入電壓條件下仍能工作。共模抑制達到130dB，在100V的共模輸入電壓范圍內所貢獻的偏差小于32 uV3。在故障保護方面，該器件的響應時(shí)間為1usec，因此在負載或電源發(fā)生意外時(shí)能夠迅速地關(guān)斷電源。
2與具有1mV偏置電壓和1 uV/℃漂移的典型高端電流檢測放大器相比，LTC6102具有最小的理論檢測電阻值(RSENSE_MIN, 等式3)，對于任何給定的電流分辨率(IRES) 而言都要小99%。
3共模抑制等于20 * Log [VCM / VOS]。
本文小結
高端電流檢測放大器為檢測和控制電流提供了諸多內在的優(yōu)勢。先進(jìn)的電池管理和電機控制技術(shù)就是很好的一些實(shí)際應用案例，它們對具有更高共模電壓、更高準確度和更高精度的電流檢測放大器提出迫切需求。業(yè)界領(lǐng)先的LTC6102由于具有強大的功能和出色的精度而得到了業(yè)界的青睞。目前的高端電流檢測放大器已經(jīng)達到了業(yè)界領(lǐng)先精度的運算放大器的性能水平，為設計師提供了一個(gè)簡(jiǎn)單、多功能和高精度的選擇，可以完全替代過(guò)去精度低而且復雜的電流檢測電路。
