發布日期：2022-07-14 點擊率：50
擬芯片(比較器、運算放大器、儀表放大器、基準源和濾波器等)都是用來處理電壓信號的。當用來處理電流信號時,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點。對于電機力矩、螺線管力、LED亮度、太陽能電池光照以及電池能量等參數,通過觀測電流是最好的監控方式。因此需要一個能夠精密地檢測電流并將該電流轉換成易于常見的電壓型器件(放大器、比較器和ADC等)進行放大、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,將該電阻直接串聯在電流通道中,再用一個放大器來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:實際的電流檢測電路。
結合使用放大器和檢測電阻
乍看起來,將一只電阻器與地串聯起來似乎與最直接的電流檢測方案很相似。這種技術就是眾所周知的低端電流檢測(圖3A),該技術要求沒有接地路徑存在,因為接地路徑會對檢測電阻器周邊的電流分流,或者說會使相鄰電路貢獻電流。特別是當機械外殼是系統地的話,要串聯進一只檢測電阻器將是不實際的。同樣,由于地并非良導體,系統中不同點的接地電壓會不一致,從而在精密測量中需要采用一個差分放大器(圖3B)。
圖3A:低端電流檢測拓撲。
圖3B:低端電流檢測電路實現。
當實現低端電流檢測時有一個非常嚴重的問題。在接地路徑中采用一只電阻器,意味著負載的地電位隨著電流的變化而變化。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出現問題。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行權衡。100mV的VSENSE滿量程將轉換成100mV的注入接地噪聲。但是,可以通過將電流檢測電阻器置于電源和負載之間來避免出現上述地電平的變化問題。
這種替代方案被稱作為高端電流檢測。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非零的共模電壓。因此該電路也提出了技術挑戰,即必須將微小的差分檢測電壓與來自電源的共模電壓區分開來(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實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,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,該技術還假定了共模電壓必須位于一個很小的規定范圍內。對于絕大多數的電流檢測應用,能夠預測大的共模波動是非常有用的。例如,如果在電源電壓下降時電流檢測電路仍能工作的話,就可以指示出究竟是電源還是負載出現了問題,電流過大時意味著限流機制或負載發生了故障,反之,過小時則說明是電源的故障。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。許多電流型器件,例如電機和螺線管,都呈感性,流通電流的快速變化會引起電感性回掃,從而在檢測電阻器上產生大的電壓擺幅。也正是在這些情況下放大器顯得最有用1。
簡單方案
為了解決電流檢測的技術挑戰,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小檢測電阻的電流產生的低差分電壓。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,放大器將一個等效于VSENSE的電壓強加到RIN上。通過RIN的電流被迫通過ROUT,從而產生一個以地為基準的電壓。 很顯然,對于基本的高端電流檢測放大器來說,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。還有一點不太明顯的是放大器的精度也很重要。
圖5:基本的高端電流檢測放大器。
1對于開關或整流型負載,在開關和負載之間安置一個傳感電阻器將會在放大器端引起一個較大的、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,也會導致CMRR誤差。為了避免這一不必要的難題,傳感電阻器應該對著電源放置,以免受到整流電壓的影響。
阻抗是關鍵
理想情況下,電流和電壓檢測都不應影響所連接的負載。這意味著電壓檢測器件應該具有近似無窮大的輸入阻抗,這樣才能確保對負載沒有明顯的分流。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明顯降低。高端電流檢測電路(放大器+電阻器)應滿足這兩項要求。用來檢測RSENSE上電壓的放大器必須具有高輸入阻抗,而用來檢測負載電流的電阻則必須非常小。
為了進一步證明這一點,可以嘗試使用大檢測電阻。隨著串聯電阻的增加,負載上的電壓下降。外部串聯的電阻是消耗能量的原因,過大的檢測電阻還會導致過度的熱耗散,從而引起長期的可靠性問題。
那么,是否有任何理由來使用大電阻呢？使用大電阻的主要優點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是有用的。
對檢測電阻的大小有一個限制。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增加檢測電阻來補償放大器。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強調了一個關鍵點,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。
密切關注先進的電流檢測放大器
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的動態范圍,從而能夠處理來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。通過利用精密電阻器,增益精度可以優于99%。
圖6:凌力爾特科技公司的LTC6102可以直接實現高端電流檢測。配置該器件只需一個RSENSE和兩個增益電阻器。設計師可以通過選擇RIN和 ROUT來定制功耗、響應時間以及輸入/輸出阻抗特性。
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,該器件的響應時間為1usec,因此在負載或電源發生意外時能夠迅速地關斷電源。
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勢。先進的電池管理和電機控制技術就是很好的一些實際應用案例,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。業界領先的LTC6102由于具有強大的功能和出色的精度而得到了業界的青睞。目前的高端電流檢測放大器已經達到了業界領先精度的運算放大器的性能水平,為設計師提供了一個簡單、多功能和高精度的選擇,可以完全替代過去精度低而且復雜的電流檢測電路。
有關更多電流檢測方面的信息,請參考凌力爾特科技公司編寫的ISENSE應用手冊,其中收集了許多電流檢測電路,讀者可以到下載。
作者:Grey Zimmer
凌力爾特科技公司
