新型放大器實現高性能電流檢測

　大多數模擬集成電路（比較器、運算放大器、儀表放大器、基準、濾波器等）都是用來處理電壓信號的。至于處理電流信號的器件，設計師們的選擇卻少得可憐，而且還要面對多得多的難題。這很不幸，因為直接監視和測量電流有很大的優勢。通過觀察電流流動，可以最好地監視電動機扭矩、螺線管受力、LED 密度、太陽能電池受光量和電池電量。所需要的只是一個能準確測量電流并將電流轉換成電壓的電路，這樣就可以用很容易買到現有的電壓器件（放大器、比較器、ADC 等）以放大、調節和測量電壓。

圖 1：電流檢測電路概念圖

　　盡管電阻可以將電流轉換成電壓，但是只用電阻并不能組成完整的解決方案。最常見的解決方案是，用一個直接與電流串聯的檢測電阻，并用一個放大器來隔離和調節電阻上的電壓（VSENSE）。

圖 2：實際的電流檢測電路

　　組合放大器與檢測電阻

　　乍一看，將電阻與接地點串聯似乎與大多數簡單直接的電流檢測方法一樣。這種方法稱為低端電流檢測（圖 3A），要求不存在可能使電流在檢測電阻周圍被分流或可能引入鄰近電路電流的接地通路。如果機架構成了系統地，那么插入這樣的檢測電阻也許是不實際的。而且，既然地線不是理想導體，那么系統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準確測量（圖 3B）。

圖 3A：低端電流檢測拓撲

圖 3B：低端電流檢測電路

　　在進行低端電流檢測時還有更嚴重的問題。接地通路中的電阻意味著負載“地”將隨著電流的變化而變化。這可能引起系統共模誤差，并在與需要相同地電平的其他系統連接時出現問題。因為測量分辨率隨著 VSENSE 幅度的提高而提高，因此設計師必須以“地噪聲”換取分辨率的提高。適度的 100mV 滿標度 VSENSE 轉換成 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。

　　這種方法稱為高端電流檢測。檢測電阻上的差分電壓仍然可用來直接測量電流，不過現在電阻上有一個非零共模電壓。這種配置的技術難題是，必須從電源共模電壓中分辨出小的差分檢測電壓（圖 4）。

圖 4：高端電流檢測

　　就低壓系統而言，儀表放大器或其他軌至軌差分放大器用于監視高端檢測電阻可能足夠了。放大器的輸出必須在不增加很大誤差的情況下轉換到地電平。電源電壓很高時，也許需要將 VSENSE 轉換到放大器輸入共模范圍內的電路，或者將放大器浮動到電源電壓的電路。這些方法除了增加電路板空間和成本，還假定共模電壓將保持在一個很窄的特定范圍內。就大多數電流檢測應用而言，預先考慮大的共模變化非常有用。例如，如果電流檢測電路在電源電壓下降時可以工作，那么它可以指示電源或負載處是否存在問題；電流過大表明限流和負載故障，電流不足指示電源故障。另一方面，電流檢測電路可能面對超過電源電壓的共模電壓。很多電流器件，如電動機和螺線管，本質上都是感性的，通過這些器件的電流迅速變化會引起感性反激，導致檢測電阻上出現大的電壓擺幅。這些例子準確說明了放大器何時最有用。(1)

　　簡單的解決方案

　　為了克服這些電流檢測難題，人們創造了高端電流檢測放大器。這些特殊放大器用來從高共模電壓中抽取通過小檢測電阻的電流產生的小差分電壓。然后，檢測電壓被放大并被轉換成以地為基準的信號。圖 5 顯示了高端電流檢測放大器的基本拓撲。在這個圖中，放大器給 RIN 加上等于 VSENSE 的電壓。然后，通過 RIN 的電流流過 ROUT，提供以地為基準的輸出電壓。就這個基本功能而言，很明顯，高端電流檢測放大器應該有高輸入阻抗、高增益和高增益準確度、以及寬共模范圍和良好的共模抑制。也許不那么明顯的是還有放大器精確度的重要性。

圖 5：基本高端電流檢測放大器

關注電阻

　　理想情況下，電流和電壓檢測電路不應該對它所連接的負載造成影響。這意味著，電壓檢測器件應該有接近無限大的輸入阻抗，這可確保不會從負載分走可觀的電流。相反，電流檢測器件應該有接近零的輸入阻抗，這可確保不會明顯地降低負載電壓。高端電流檢測電路（放大器＋電阻）同時受到這兩種要求的制約。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，我們來看一下使用大檢測電阻時的情況。因為串聯電阻提高了，所以負載獲得的電壓降低了。外加串聯電阻是能量浪費的根源，大的檢測電阻可能導致過度的熱耗散，從長遠來看可能引起可靠性問題。

　　使用大檢測電阻有什么理由嗎？主要的優點是提高了總的輸出電壓（EQ1）。這在放大器有固定增益或增益可配置性有限時可能很有用。

　　[EQ1]

　　檢測電阻值有個限度。放大器輸入范圍和最大預期電流將決定最大的實際檢測電阻值（EQ2）。

RSENSE_MAX = (VSENSE_MAX / ISENSE_MAX) [EQ2]

　　例如，如果通過檢測電阻（ISENSE MAX）的最大預期電流是 50mA，高端電流檢測放大器可以接受高達 250mV（VSENSE MAX）的輸入，那么最大檢測電阻值是 50Ω（RSENSE_MAX）。

　　理想情況下，設計師不應該被迫增加檢測電阻以補償放大器。只要放大器能以足夠的增益和增益準確度工作，設計師就應該去關注最小可接受電阻值。這可以從電流檢測放大器的輸入失調電壓算出來，必須分辨的最小電流為：

RSENSE_MIN = (VOFFSET / IRES). [EQ3]

　　例如，如果要求 1mA 分辨率（IRES），高端電流檢測放大器的失調電壓為 1mV（VOFFSET），那么最小檢測電阻為 1Ω（RSENSE MIN）。等式 3 突出了一個關鍵點：最小檢測電阻與高端電流檢測放大器的失調電壓直接相關。

　　深入了解現代電流檢測放大器

　　設計師把精準高壓側電流檢測技術謹記于心, 從而開發出了新型高壓側電流檢測放大器, 與先前的同類產品相比, 性能有了大幅度的提升。例如，凌力爾特公司的 LTC6102 是一種采用零漂移技術的新型高端電流檢測放大器。這種放大器的輸入失調電壓僅為 10uV，偏壓漂移最大值為 50nV/oC。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(2)。如果系統能夠承受大的 VSENSE，那么LTC6102 就可以接受高達 2V 的檢測電壓。低失調加上這么高的最高檢測電壓可實現超過 106dB 的動態范圍，允許LTC6102從安培級電流分辨出微安級電流。檢測非常小的電流是可能的，因為任何增益值都可以用外部電阻選擇。通過使用精密電阻，增益準確度可以高于 99%。

　　LTC6102 也不損害其他重要的電流檢測性能。其高阻抗輸入將輸入偏置電流限制為低于 300pA。LTC6102 可以在輸入共模電壓高達 105V 時工作。130dB 的共模抑制在整個 100V 輸入共模電壓范圍內產生低于 32uV 的偏移誤差(3)。就故障保護而言，LTC6102 有 1us 的響應時間，從而允許該器件在出現意外的負載或電源變化時迅速關閉電源。

　　圖 6：凌力爾特公司的 LTC6102 可簡單直接地實現高端電流檢測。用 RSENSE 和兩個增益電阻就可以配置該器件。通過選擇 RIN 和 ROUT，設計師可以定制功耗、響應時間和輸入/輸出阻抗特性

　　結論

　　高端電流檢測放大器用來監視和控制電流時具有固有的優勢。電池管理、電動機控制等領域的技術進步導致對較高共模電壓、較高準確度和較高精確度的電流檢測放大器的極大需求。LTC6102 率先以一套令人印象深刻的功能和卓越的精確度開辟了一片新天地。高端電流檢測放大器現在已經達到了業界領先精確運算放大器的性能水平，為設計師提供了一種簡單、通用和高度準確的器件，這種器件可替代過去精確度較低或較復雜的電流檢測電路。

　　如需更多有關電流檢測的信息，請閱讀凌力爾特公司編輯的 ISENSE Application Note，其中收集了廣泛的電流檢測電路，現在可從網址 www.linear.com.cn/currentsense 下載。

　　注釋：

　　1 就開關或換向負載而言，在開關和負載之間安裝檢測電阻將給放大器加上大的且可能是高頻的共模電壓。即使有非常高的共模抑制比，加上大的高頻共模電壓的放大器也會產生 CMRR 誤差。為了避免這種不必要的困難，檢測電阻應該挨著電源放置，在這里不會受到換向電壓影響。

　　2 與失調電壓為 1mV、漂移為 1uV/oC 的典型高端電流檢測放大器相比，LTC6102 具有最小的計算檢測電阻值（RSENSE_MIN，EQ3），就任何給定電流分辨率（IRES）而言，都至少比其他放大器低 99%。

　　3 共模抑制 = 20 x Log[ΔVCM / ΔVOS]