在低側(cè)電流檢測中使用單端放大器：誤差源和布局技巧

低側(cè)檢測的主要優(yōu)點(diǎn)是可以使用相對簡單的配置來放大分流電阻器兩端的電壓。例如，通用運(yùn)算放大器的非反相配置可以成為需要能夠在消費(fèi)市場空間競爭的成本敏感型電機(jī)控制應(yīng)用的有效選擇。

在低側(cè)電流檢測中使用單端放大器
低側(cè)檢測的主要優(yōu)點(diǎn)是可以使用相對簡單的配置來放大分流電阻器兩端的電壓。例如，通用運(yùn)算放大器的非反相配置可以成為需要能夠在消費(fèi)市場空間競爭的成本敏感型電機(jī)控制應(yīng)用的有效選擇。
基于同相配置的電路圖如圖1所示。

圖1。

然而，這種低成本解決方案可能會受到多種不同錯(cuò)誤的影響。為了準(zhǔn)確測量電流，我們需要考慮任何可能影響電路易受影響節(jié)點(diǎn)（例如放大器輸入）的非理想效應(yīng)。我們將在下面更詳細(xì)地討論這個(gè)問題。
微量電阻
一個(gè)重要的錯(cuò)誤是與 R shunt串聯(lián)的 PCB 跡線的寄生電阻。由于 R shunt在毫歐范圍內(nèi)具有很小的值，因此與 R shunt串聯(lián)的任何寄生電阻都可能導(dǎo)致顯著誤差。通過 R雜散對該寄生電阻建模，我們得到圖 2中的原理圖。

圖 2。

根據(jù)應(yīng)用，I負(fù)載可高達(dá)數(shù)百安培。因此，即使是較小的 R stray值也會產(chǎn)生相當(dāng)大的誤差電壓 V error。該誤差電壓將被放大器的增益放大并出現(xiàn)在輸出端。
由于銅電阻的溫度系數(shù)相當(dāng)高（約 0.4%/°C），R 的值會發(fā)生雜散，因此誤差電壓會隨溫度變化很大。因此，雜散電阻會在承受較大溫度變化的系統(tǒng)中產(chǎn)生與溫度相關(guān)的誤差。為降低誤差電壓 V error，我們應(yīng)避免走線過長，以限度地減少 R雜散。
值得一提的是，消除 R雜散誤差的更有效解決方案是使用不同的放大器而不是同相配置。從圖 2中可以看出，同相配置具有單端輸入。它檢測節(jié)點(diǎn) A 處相對于地的電壓。然而，差分放大器具有差分輸入并感測 R shunt兩端的電壓。這如圖 3所示。

圖 3。

差分放大器的傳遞函數(shù)由下式給出：
[v_{out}=frac{R_{2}}{R_{1}}left(v_{A}-v_{B} ight)=frac{R_{2}}{R_{1} }V_{分流器}]
由于放大器的差分輸入檢測分流電阻兩端的電壓，PCB 走線的電阻不會產(chǎn)生誤差。我們將在以后的文章中更詳細(xì)地研究差分放大器配置。
阻焊性
另一個(gè)誤差源是與檢測電阻串聯(lián)的焊錫電阻。這在圖 4中進(jìn)行了說明。

圖 4。

在此圖中，負(fù)載電流沿紅色箭頭方向從左向右流動(dòng)。垂直跡線將分流電阻器連接到放大器輸入端（In+ 和 In-）。因此，放大器會感測 A 點(diǎn)和 B 點(diǎn)之間的電壓差。感測電阻器的實(shí)際值為 R shunt +2R solder。焊接電阻可以在幾百微歐姆的范圍內(nèi)。
誤差變得顯著，尤其是當(dāng)使用小分流電阻器時(shí)。例如，對于 0.5 mΩ 的分流電阻器和 I負(fù)載= 20 A，焊接電阻的誤差可能高達(dá) 22%。為解決這個(gè)問題，放大器輸入應(yīng)直接連接到分流電阻器而不是載流跡線。圖 5顯示了一個(gè)示例布局，可以提供更準(zhǔn)確的結(jié)果。

圖 5。

在這種情況下，有兩對 PCB 焊盤：一對用于將 R shunt連接到負(fù)載，另一對用于將 R shunt連接到放大器輸入。在大電流應(yīng)用中，放大器汲取的電流 (I amp ) 遠(yuǎn)小于 I load。這就是為什么上述布局可以減少阻焊誤差的原因。
為了更好地理解這項(xiàng)技術(shù)，讓我們比較兩種情況下的檢測電壓。使用圖 4所示的布局，檢測到的電壓為：
[v_{A}-v_{B}=left(R_{shunt}+2R_{solder1} ight) imes left(I_{load}+I_{amp} ight)]
由于 I amp比 I load小得多，我們有：
[v_{A}-v_{B}approxleft(R_{shunt}+2R_{solder1} ight) imes I_{load}=R_{shunt}I_{load}+2R_{solder1}I_{加載}]
等式 1。
這給出了 2R solder1 I load的誤差電壓。圖 5中的布局如何？這種布局的電路圖如下所示：

圖 6。

請注意，電流 I load不經(jīng)過 R solder2返回其源。測得的電壓為：
[v_{C}-v_{D}=R_{shunt} imesleft(I_{load}+I_{amp} ight)+2R_{solder2}I_{amp}approx R_{shunt}I_{ load}+R_{solder2}I_{amp}]
在這種情況下，誤差為 2R solder2 I amp，它遠(yuǎn)小于公式 1的誤差，因?yàn)?I amp遠(yuǎn)小于 I load。這種技術(shù)通常被稱為開爾文傳感，并在許多應(yīng)用領(lǐng)域得到使用。它使我們能夠準(zhǔn)確測量阻抗。圖 7顯示了一些采用開爾文傳感技術(shù)的其他 PCB 布局。

圖 7.圖片（改編）由TI提供。

您可以在 Analog Devices 的“通過改進(jìn)低值分流電阻器的焊盤布局來優(yōu)化高電流檢測精度”中找到更復(fù)雜的開爾文連接布局示例。
您可能想知道圖 5 和圖 7中描繪的三種布局中的哪一種可以導(dǎo)致更準(zhǔn)確的測量？應(yīng)該注意的是，很難回答這個(gè)問題，因?yàn)榻Y(jié)果取決于您在設(shè)計(jì)中使用的電阻器。不同的電阻器制造商在電阻器的標(biāo)稱值時(shí)可能會使用不同的測量位置。
例如，如果電阻制造商測量了焊盤內(nèi)部的電阻，那么圖 7(a)中的布局可以為我們提供更準(zhǔn)確的測量結(jié)果。
嘈雜的地面
圖 8顯示了另一個(gè)誤差源：噪聲接地。

圖 8。

我們討論過，由于同相配置具有單端輸入，它測量節(jié)點(diǎn) A 相對于地的電壓。假設(shè)我們的電路板有一個(gè)專用的地平面。我們可以在非常靠近 R分流器的地方放置一個(gè)過孔，以將 B 點(diǎn)保持在系統(tǒng)接地電位，并限度地減少 PCB 走線電阻的誤差。另一個(gè)敏感節(jié)點(diǎn)是節(jié)點(diǎn) C。任何耦合到節(jié)點(diǎn) C 的信號都會被放大并出現(xiàn)在輸出端。因此，我們也需要將節(jié)點(diǎn) C 保持在地電位。
然而，假設(shè)地面有噪聲并且一些電流流過接地層，如圖8所示。這將導(dǎo)致節(jié)點(diǎn) B 和 C 之間存在電位差，而我們理想情況下希望它們具有相同的電位。
假設(shè)節(jié)點(diǎn) B 保持在地電位，與地電流的電壓差將出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn) C 并在輸出端引入誤差。為避免此錯(cuò)誤，建議使用使節(jié)點(diǎn) B 和 C 彼此非?？拷?PCB 布局。
把它們放在一起
圖 9顯示了一個(gè)考慮了上述注意事項(xiàng)的示例布局。此示例布局基于采用 SOT 23封裝的運(yùn)算放大器。

圖 9。

請注意，開爾文連接用于檢測分流電阻器兩端的電壓。另請注意，R 1和 R分流器的接地側(cè)彼此非?？拷?。請記住，開爾文連接有幾種不同的焊盤布局。您可能需要咨詢電阻器制造商或進(jìn)行一些實(shí)驗(yàn)以確定適合您設(shè)計(jì)的布局。