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高邊電流檢測(cè)測(cè)量電路及原理解析

發(fā)布時(shí)間：2017-01-06 責(zé)任編輯：wenwei

【導(dǎo)讀】本應(yīng)用筆記介紹利用電流檢測(cè)放大器、差分放大器和儀表放大器測(cè)量智能手機(jī)、平板電腦、筆記本計(jì)算機(jī)及USB附件中的電池充電和放電電流。通過(guò)對(duì)高邊電流檢測(cè)放大器與低邊差分放大器進(jìn)行了比較，并給出了檢流電阻的選擇標(biāo)準(zhǔn)。文中介紹了高電壓短路器，以在發(fā)生電路故障及短路時(shí)提供系統(tǒng)過(guò)流保護(hù)。并且提供了可變線性電流源和可編程0–5A電流源的應(yīng)用電路。

電流測(cè)量(即檢測(cè)流入和流出電子電路的電流)是設(shè)計(jì)者的一項(xiàng)必備技能，也是各種應(yīng)用中必不可少的。應(yīng)用示例包括過(guò)流保護(hù)、4–20mA系統(tǒng)、電池充電器、高亮度LED控制、GSM基站電源、H橋電機(jī)控制，您必須知道此類應(yīng)用中流入和流出可充電電池的電流比(也就是電量計(jì)功能)。

隨著越來(lái)越多的便攜式應(yīng)用，對(duì)專用電流監(jiān)測(cè)器的需求已經(jīng)大大增加，從而以小封裝、低靜態(tài)電流實(shí)現(xiàn)其任務(wù)。以下的討論涵蓋低邊和高邊電流監(jiān)測(cè)器，包括其架構(gòu)和應(yīng)用。

采用高邊還是低邊監(jiān)測(cè)器？

大多數(shù)電流測(cè)量應(yīng)用采用低邊原理，檢測(cè)電阻與接地通路串聯(lián)(圖1)；或者采用高邊原理，檢測(cè)電阻與電源線串聯(lián)(圖2)。兩種方法都具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。低邊電阻在接地通路中增加了不希望的額外阻抗；采用高邊電阻的電路必須承受相對(duì)較大的共模信號(hào)。此外，如果圖1中運(yùn)放的GND引腳以RSENSE的正端為基準(zhǔn)，那么其共模輸入范圍必須覆蓋至零以下，也就是GND - (RSENSE × ILOAD)。

圖1. 低邊電流監(jiān)測(cè)器原理。

圖2. 高邊電流監(jiān)測(cè)器示例。

然而，不要因?yàn)榈瓦厹y(cè)量電路的簡(jiǎn)單性而忽略高邊測(cè)量方法的優(yōu)勢(shì)。多種故障會(huì)避開低邊監(jiān)測(cè)器，從而使負(fù)載面臨危險(xiǎn)和未檢測(cè)到的情形(圖3)。注意，能夠檢測(cè)通過(guò)路徑A連接的負(fù)載，但通過(guò)路徑B的意外連接則避開了監(jiān)測(cè)器。另一方面，高邊監(jiān)測(cè)器直接連接至電源，能夠檢測(cè)所有的下行故障并觸發(fā)相應(yīng)的補(bǔ)救措施。高邊監(jiān)測(cè)器也比較適合汽車應(yīng)用，此類應(yīng)用中的外殼作為地電勢(shì)。

圖3. 如果負(fù)載意外接地，通路B可產(chǎn)生危險(xiǎn)的高電流。

傳統(tǒng)高邊監(jiān)測(cè)器

以前，這兩種方案的許多實(shí)現(xiàn)方法都基于分立式元件或半分立式電路。最簡(jiǎn)單情況下，此類高邊監(jiān)測(cè)器要求高精度運(yùn)放和少數(shù)幾個(gè)精密電阻。高邊測(cè)量的一種常見方法是使用傳統(tǒng)的差分放大器作為增益放大器以及從高邊至地的電平轉(zhuǎn)換器(圖4)。盡管這種分立式電路使用廣泛，但具有以下三個(gè)主要缺點(diǎn)：

輸入電阻(等于R1)相對(duì)較低。
輸入端的輸入阻抗通常呈現(xiàn)出較大偏差。
電阻必須良好匹配，以獲得可接受的共模抑制比(CMRR)：0.01%的電阻值偏差會(huì)將CMRR降低至86dB，0.1%的偏差將其降低至66dB，1%的偏差將其降低至46dB。

高邊電流監(jiān)測(cè)需求帶動(dòng)了大量用于該目的的新集成電路的發(fā)展。另一方面，低邊測(cè)量未推動(dòng)新型相關(guān)IC的進(jìn)步。

圖4. 差分放大器是高邊電流測(cè)量電路中的基本元件。

集成全差分放大器

隨著大量包含高精度放大器和精密匹配電阻的IC的推出，在高邊電流測(cè)量中使用差分放大器變得非常方便。這些器件的CMRR達(dá)到105dB數(shù)量級(jí)，MAX4198/MAX4199就是例子之一(圖5)。IC采用8引腳µMAX封裝，典型CMRR達(dá)到110dB，增益誤差優(yōu)于0.01%。

圖5. 集成差分放大器(MAX4198/MAX4199)具有非常高的CMRR。

專用高邊監(jiān)測(cè)器

高邊電流測(cè)量的另一種方法以包含執(zhí)行測(cè)量所需全部功能的IC為代表。這些IC在高達(dá)32V的共模電壓下檢測(cè)高邊電流，并提供以地為基準(zhǔn)的電流或電壓輸出，輸出與被測(cè)電流成比例。電源管理、電池充電及其它必須高精度測(cè)量或控制電流的應(yīng)用均受益于這些專用電流檢測(cè)放大器。

Maxim的高邊電路檢測(cè)放大器將電流檢測(cè)電阻放在電源的正端與被監(jiān)測(cè)電路電源輸入之間。這種設(shè)計(jì)避免了接地區(qū)域上的外接電阻，大大簡(jiǎn)化了布局，通常會(huì)改善總體電路性能。Maxim提供的單向和雙向電流檢測(cè)IC包括帶有或不帶內(nèi)部檢測(cè)電阻的雙向器件。雙向放大器包括一個(gè)用于指示電流方向的信號(hào)引腳。

這些單向和雙向電流檢測(cè)IC的型號(hào)包括帶可調(diào)增益，+20V/V、+50V/V或+100V/V固定內(nèi)部增益，以及內(nèi)部增益加單或雙比較器。器件采用小型封裝，滿足緊湊型應(yīng)用的嚴(yán)格要求。

所有Maxim高邊IC的共同點(diǎn)是具備提供以地為參考的電壓或電流輸出的能力，不需要或只需要很少的附加元件。輸出信號(hào)與被測(cè)高邊電流成比例，其共模電壓可高達(dá)32V。圖6至9所示為集成高邊電流監(jiān)測(cè)器的幾種架構(gòu)。注意，MAX4172電流源輸出與RSENSE上的電壓成比例。

新型高邊監(jiān)測(cè)器的方程式表明，外部電阻對(duì)CMRR的影響不再是問題，因?yàn)楝F(xiàn)在的MRR(典型值大于90dB)主要取決于集成放大器。在單片IC中集成電流檢測(cè)功能具有如下優(yōu)勢(shì)：

有源和無(wú)源集成器件的嚴(yán)格容限
優(yōu)異的溫度系數(shù)(TC)
小尺寸
低功耗
易用性

圖6. 雙向高邊電流監(jiān)測(cè)器的簡(jiǎn)化原理圖(MAX9928/MAX9929)，帶有表示電流方向的SIGN輸出。

圖7. 單向高邊電流監(jiān)測(cè)器(MAX4372)。

圖8. 另一種單向高邊電流監(jiān)測(cè)器(MAX4172)。

圖9. 單向高邊電流監(jiān)測(cè)器的另一種架構(gòu)(MAX4173)。

選擇RSENSE的相關(guān)考慮事項(xiàng)

在設(shè)計(jì)任何類型的電流監(jiān)測(cè)器時(shí)，謹(jǐn)慎選擇檢流電阻(RSENSE)非常重要也必不可少。應(yīng)遵循以下標(biāo)準(zhǔn)選擇RSENSE：

電壓損耗：高RSENSE值造成電源電壓通過(guò)IR損耗降低。最低的RSENSE值能夠?qū)崿F(xiàn)最少的電壓損耗。
精度：高RSENSE值能夠較高精度地測(cè)量低電流，因?yàn)槠潆妷菏д{(diào)和輸入偏置電流失調(diào)比檢測(cè)電壓小得多。
效率和功耗：大電流時(shí)，RSENSE中的I²R損耗比較大，所以在選擇電阻值和功耗額定值(瓦特)時(shí)應(yīng)加以考慮。檢測(cè)電阻溫度過(guò)高也造成其電阻值漂移。
電感：如果ISENSE的高頻成分較大，RSENSE必須具有低電感。繞線片式電阻的電感最高，金屬薄膜電阻稍好一些，但推薦低電感金屬薄膜電阻(1.5Ω以下可用)。與金屬薄膜和繞線片式電阻(也就是螺旋纏繞在核芯上)不同，低電感金屬薄膜電阻由直金屬條組成。
成本：對(duì)于RSENSE成本要求嚴(yán)格的應(yīng)用，可將PCB走線作為檢測(cè)電阻(圖10)。由于銅電阻的精度不高，需要利用電位計(jì)調(diào)節(jié)滿幅電流。對(duì)于溫度變化范圍較寬的系統(tǒng)，銅電阻溫度系數(shù)相當(dāng)高(大約0.4%/°C)。

圖10. 該高邊電流監(jiān)測(cè)器(MAX4172)采用PCB走線作為RSENSE.

高邊監(jiān)測(cè)器的應(yīng)用

圖11所示的電路為可變線性電流源。IC1將R1電流轉(zhuǎn)換為成比例的輸出電壓，使電壓調(diào)節(jié)器(IC2)產(chǎn)生穩(wěn)壓輸出電流。為將IOUT設(shè)置為0mA至500mA之間的調(diào)節(jié)電流，在ICONTROL上施加5V至0V電壓(5V設(shè)置IOUT = 0mA，0V設(shè)置IOUT = 500mA)。作為替代方案，您可增加如圖所示的D/A轉(zhuǎn)換器，對(duì)IOUT進(jìn)行數(shù)字控制。對(duì)于12位分辨率(60µA/LSB)，DAC可為并行輸入MAX530或串行輸入MAX531；對(duì)于10位分辨率(250µA/LSB)，DAC可為并行輸入MAX503或串聯(lián)行入MAX504。

圖11. 可變線性電流源(MAX603)。

圖12所示電路為0–5A可編程電流源，利用4V至28V電源產(chǎn)生0A至5A電流，具有兩方面優(yōu)勢(shì)：12位D/A轉(zhuǎn)換器使其能夠進(jìn)行數(shù)字編程；開關(guān)模式降壓型調(diào)節(jié)器(IC1)使其比使用線性晶體管的替代電流源的效率高。應(yīng)用包括過(guò)流保護(hù)、4–20mA系統(tǒng)、電池充電器、高亮度LED控制、GSM基站電源以及H橋電機(jī)控制。