電流檢測放大器的發(fā)展?jié)M足多種應用需求

摘要： 本文詳細探討了在電流檢測中的放大器應用需求，并結(jié)合應用進行了探討。
關鍵詞： 放大器；電流檢測；LTC6102

　　隨著過去傳統(tǒng)的“開環(huán)”系統(tǒng)被智能和高效率“閉環(huán)”設計所取代，準確的電流檢測在多種應用中變得越來越重要。實施電流測量的應用實例包括電動機扭矩、螺線管受力、LED 密度、太陽能電池受光量以及電池電量。為了測量電流，直接將檢測電阻與電流串聯(lián)，用一個放大器隔離和放大這個電阻上的電壓 (VSENSE)。專門為完成這一任務而優(yōu)化的新型放大器正在從汽車到工業(yè)、從通信到計算的很多應用中得到廣泛采用。

　　兩種常見的電流測量方法是高壓側(cè)和低壓側(cè)檢測。在這兩種情況中，都是在電流通路中放置一個小的檢測電阻，而電阻上的電壓可以用一個基于放大器的電路測量。在低壓側(cè)檢測中，檢測電阻放置在負載和地之間；而在高壓側(cè)檢測中，檢測電阻放置在正電源和負載之間。這兩種方法都有基本的系統(tǒng)權衡問題以及不同的電路要求。

　　低壓側(cè)電流檢測的主要優(yōu)點是放大器電源電壓可以相當?shù)停斎牍材ｋ妷悍秶梢苑浅Ｐ?。但是有幾點限制大大抵消了這些優(yōu)點。首先，低壓側(cè)電流檢測要求，不存在可能使電流在檢測電阻周圍被分流或可能從鄰近電路引入電流的接地通路。如果機架構成了系統(tǒng)地，那么也許插入這樣的檢測電阻是不實際的。而且，既然地線不是理想導體，那么系統(tǒng)中不同位置的地電壓可能不同，因此必須使用差分放大器才能實現(xiàn)準確測量。也許低壓側(cè)檢測的最大問題是檢測電阻在真實系統(tǒng)地和負載端的“地”點之間引入了一個偏移電壓。這可能在系統(tǒng)中引起共模誤差，并給連接至其它要求同樣地電平的系統(tǒng)帶來問題。既然測量分辨率與 VSENSE 的值成正比提高，設計師就必須在“地噪聲”和提高分辨率之間進行權衡。中等大小的 100mV 滿標度 VSENSE 轉(zhuǎn)換成 100mV 注入地噪聲。通過在電源和負載之間放置電流檢測電阻可以避免地電平變化問題。這種方法稱為高壓側(cè)電流檢測。盡管它避免了上面列舉的在接地通路放置檢測電阻的問題，但是高壓側(cè)電流檢測存在其它難題。像低壓側(cè)電流檢測一樣，高壓側(cè)電流檢測電路用檢測電阻產(chǎn)生差分電壓，該電壓可以直接測量。不過，現(xiàn)在電阻上存在一個非零共模電壓。這種配置帶來的技術挑戰(zhàn)是，必須從電源共模電壓中分辨出小的差分檢測電壓。

　　就低壓系統(tǒng)而言，用儀表放大器或其它軌至軌差分放大器監(jiān)視高壓側(cè)檢測電阻也許足夠了。然后，放大器輸出必須轉(zhuǎn)換到地，這么做不會增加很大的誤差。當電源電壓非常高時，也許要求電路將 VSENSE 向下轉(zhuǎn)換到放大器輸入共模電壓范圍內(nèi)或?qū)⒎糯笃飨蛏细拥诫娫措妷骸３嗽黾与娐钒迕娣e和成本，這些方法還假定共模電壓將保持在一個窄小的規(guī)定范圍內(nèi)。就大多數(shù)電流檢測應用而言，預期大的共模電壓浮動是非常有用的。例如，如果電流檢測電路在電源電壓下降時可以工作，那么它就可以指明電源處或負載處是否存在問題。過大的電流表示限流或負載故障，電流不足表明電源故障。另一方面，電流檢測電路可能遇到超過電源電壓的共模電壓。很多電流型設備 (例如電動機和螺線管) 本質(zhì)上都是電感性的，通過這種設備的電流快速變化會引起電感性反激，導致檢測電阻上出現(xiàn)大的電壓擺幅。這些例子可以準確說明放大器在什么時候最有用。

圖 1  基本的高壓側(cè)電流檢測放大器

　　簡單的解決方案

　　為了解決電流檢測難題設計出了高壓側(cè)電流檢測放大器，這些特殊的放大器用來從高的共模電壓中抽取電流流經(jīng)小的檢測電阻時產(chǎn)生的小差分電壓，然后檢測電壓被放大并轉(zhuǎn)換成以地為基準的信號。圖 1 說明了高壓側(cè)電流檢測放大器的基本拓撲。在這個電路中，放大器給 RIN 加上一個等于 VSENSE 的電壓。然后，讓通過 RIN的電流流過 ROUT，提供一個以地為基準的輸出電壓。就這種基本功能而言，很明顯，高壓側(cè)電流檢測放大器應該有高輸入阻抗、高增益和良好的增益準確度、以及寬共模電壓范圍和良好的共模抑制。

　　關注電阻

　　理想情況下，電流和電壓檢測電路不應該影響與其連接的負載。這意味著電壓檢測電路應該有接近無限大的輸入阻抗，這可確保不可能從負載分走很大的電流。相反，電流檢測電路應該有接近零的輸入阻抗，這可確保負載電壓不會極大降低。高壓側(cè)電流檢測電路 (放大器 + 電阻) 須符合這兩個要求。用來檢測 RSENSE 上電壓的放大器必須有高輸入阻抗。用來檢測負載電流的電阻必須非常小。

　　為了充分理解這一點，我們來考慮一下使用大檢測電阻的情況。隨著串聯(lián)電阻的增大，負載獲得的電壓會降低。外加的串聯(lián)電阻是能量浪費的根源，大的檢測電阻可能導致過大的熱量消耗，從長期來看還可能出現(xiàn)可靠性問題。

　　有理由使用大的檢測電阻嗎？主要優(yōu)點是提高總的輸出電壓 (1)。在放大器有固定增益或有限的增益可配置性時，這可能很有用。
       (1)

　　檢測電阻的大小是有限制的。放大器的輸入范圍和最大期望電流值將決定最大可用檢測電阻(2)。

　　R _{SENSE_MAX}=(V _{SENSE_MAX} / I _{SENSE_MAX})   ( 2)

　　例如，如果通過檢測電阻的最大期望電流值是 50mA (I _{SENSE_MAX})，高壓側(cè)電流檢測放大器可以接受高達 250mV (V _{SENSE_MAX} ) 的輸入，那么最大檢測電阻就是 5W (R_{SENSE_MAX})。

　　理想情況下，設計師不應該被迫增加檢測電阻來補償放大器。只要放大器能以足夠大的增益和增益準確度工作，設計師就應該去關注可接受的最小檢測電阻。這可以通過電流檢測放大器的輸入失調(diào)電壓和必須分辨的最小電流來計算：

　　R _{SENSE_MIN} = (V _OFFSET / I _RES)         (3)

　　例如，如果要求 1mA ( I _RES) 的分辨率，而高壓側(cè)電流檢測放大器的失調(diào)電壓為 1mV (V _OFFSET )，那么最小檢測電阻就是 1Ω (R _{SENSE_MIN} )。等式(3)突出顯示了一個關鍵問題：最小檢測電阻與高壓側(cè)電流檢測放大器的失調(diào)有直接關系。

圖 2    凌力爾特公司的 LTC6102 簡單直接地實現(xiàn)高壓側(cè)電流檢測。
用 R_SENSE和兩個增益電阻配置該器件。通過選擇 R_IN和R_OUT，
設計師可以定制功耗、響應時間和輸入/輸出阻抗特性

　　進一步了解現(xiàn)代電流檢測放大器

　　新型高壓側(cè)電流檢測放大器充分考慮了精確的高壓側(cè)電流檢測問題，性能比前幾代有極大改進。例如，凌力爾特公司的 LTC6102 是一種采用零漂移技術的新型高壓側(cè)電流檢測放大器。這個放大器的輸入失調(diào)電壓僅為 10mV，最大偏壓漂移為 50nV/℃。與前幾代電流檢測放大器相比，LTC6102 可以使用小得多的檢測電阻。如果系統(tǒng)可以容許大的 VSENSE，那么 LTC6102 可以接受高達 2V 的檢測電壓。低失調(diào)加上這一最大檢測電壓實現(xiàn)了超過 106dB 的動態(tài)范圍，允許 LTC6102 從安培級電流中分辨出微安級電流。既然可以用外部電阻選擇任何增益值，那么檢測非常小的電流是可能的。通過使用精確的電阻，增益準確度可以高于 99%。

　　LTC6102的其它重要電流檢測性能并未因此而受到損害。高阻抗輸入將輸入偏置電流限制為不到300pA。LTC6102能以高達105V的輸入共模電壓工作。130dB的共模抑制在100V的整個輸入共模電壓范圍內(nèi)引入不到32mV的偏移誤差。就故障保護而言LTC6102有1ms的響應時間，如果負載或電源意外變化，該器件就可以迅速啟動電源停機。

　　不同的放大器滿足不同的應用需求

　　LTC6102 的基本電路拓撲可以修改，以滿足多種不同的應用需求。在 H 橋電動機應用中，準確測量電流并識別各種潛在故障情況的最有效方法常常是在高壓側(cè)測量每個半橋的電流。LTC6103 含有兩個高精確度、高壓電流檢測放大器，可用來準確測量兩個半橋。

　　在由電池供電的系統(tǒng)中，人們感興趣的電流本質(zhì)上也許是雙向的，因為要對電池充電和放電。在這種情況下，可以使用 LTC6104 等雙向高壓側(cè)電流檢測放大器。LTC6104 架構的有趣之處是它允許充電和放電電阻有不同的值 (或者可以用同一個電阻監(jiān)視充電和放電)。既然充電和放電電流幅度可以相差很大，那么這就允許設計師優(yōu)化測量電路的準確度。

　　在有些應用中，希望在包括地在內(nèi)的非常寬的共模范圍內(nèi)測量電流。這允許準確測量電流，甚至在高壓側(cè)電壓由于電路故障而出問題時也一樣。LT6105 等放大器可以滿足這些需求。

　　有些測量必須在嚴酷的環(huán)境中進行。LT6107 能夠在溫度高達 150℃時進行準確測量。

　　結(jié)論

　　高壓側(cè)電流檢測放大器用于監(jiān)視和控制電流具有很多固有的好處。越來越先進的電池管理和電動機控制技術只是其中的幾個例子，這些先進的技術正在為具有較高共模電壓、較高準確度和精度的電流檢測放大器創(chuàng)造極大的需求。