如何測(cè)量30倍頻程的負(fù)載電流

在TI E2E 論壇上為客戶提供支持時(shí)，我遇到的最常見的問題就是直流感應(yīng)。直流感應(yīng)方法很簡(jiǎn)單，就是安放一個(gè)與負(fù)載（分流電阻器）串聯(lián)的電阻器，然后測(cè)量整個(gè)電阻器的電壓（分流電壓）。對(duì)于頻程為 10 至 15 倍的負(fù)載電流而言，這種方法極為有效。

但是低功耗應(yīng)用需要 30 倍乃至更高頻程的電流感應(yīng)解決方案。使用線性器件測(cè)量分流電壓時(shí)，實(shí)現(xiàn)這種寬負(fù)載電流范圍可能很困難。

放大器輸出擺幅會(huì)限制可測(cè)量的負(fù)載電流范圍。例如，從 100mV 至 4.9V 的輸出擺幅相當(dāng)于頻程約 15 倍的線性輸出范圍。那么如果要測(cè)量 30 倍頻程的負(fù)載電流，應(yīng)該怎么做？調(diào)節(jié)增益！

圖 1 所示的是兩個(gè)增益如何能夠增大可測(cè)量負(fù)載電流范圍。

兩個(gè)增益范圍的電流感應(yīng)

對(duì)數(shù)放大器和可編程增益放大器是一個(gè)選項(xiàng)，但如果需要測(cè)量的只是 20 至 30 倍頻程的負(fù)載電流，就有點(diǎn)過度了。

另一種方法可使用帶開關(guān)的運(yùn)算放大器控制增益。

低側(cè)運(yùn)算放大器可調(diào)增益

如果分流電阻器與接地之間存在任何寄生阻抗，這就會(huì)產(chǎn)生不準(zhǔn)確性。這是一個(gè)很大的弊端。圖 3 所示的是當(dāng) Rg 涉及接地時(shí)，運(yùn)算放大器可獲得寄生電壓 （VPAR）。

寄生電壓誤差，Rg=GND

要降低該誤差，應(yīng)將 Rg 連接至 Vpar（Kelvin 連接 Kevin-connection）。下圖 4 所示為運(yùn)算放大器不將增益應(yīng)用于寄生電壓，而其仍然出現(xiàn)在輸出端。Vpar 隨負(fù)載電流及 PCB 制造容差變化而變化。

寄生電壓誤差，Rg= Vpar

要消除該誤差項(xiàng)，可使用只放大差分電壓的器件，例如儀表放大器。

圖 5 所示為 Kelvin 連接（Kevin-connected）至分流電阻器時(shí)，儀表放大器如何消除誤差。圖 5 中的方程式可簡(jiǎn)化為 Vout=Vref+Vshunt （注意 VPAR=0）。

無寄生誤差的儀表放大器

許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要單電源解決方案。傳統(tǒng)儀表放大器不能滿足該需求，因?yàn)樗鼈兙哂杏嘘P(guān)輸入共模電壓、電源、參考電壓以及增益的輸出擺幅限制。

INA333 單電源工作

例如，如果輸出共模電壓為 1V，輸出擺幅則為 ~0V 至 ~2V。在低側(cè)感應(yīng)情況下，共模電源為 0V，因此輸出擺幅極小，甚至沒有擺幅。

為克服該問題，INA326 儀表放大器可使用獨(dú)特的電流拓?fù)涮峁┱嬲能壷淋壿斎胼敵觥?/p>

將 INA326 的獨(dú)特性與控制其增益的開關(guān)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的單電源電流感應(yīng)解決方案，其可檢測(cè)達(dá) 30 倍頻程的負(fù)載電流。

10μA 至 10mA的單電源電流感應(yīng)解決方案

圖 7 所示的是用于 10μA-10mA 單電源電流感應(yīng)解決方案的 TI 高精度設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)包括理論、計(jì)算與 TINA-TI 仿真。

下次大家在設(shè)計(jì)電流感應(yīng)解決方案時(shí)，務(wù)必要理解放大器的局限性。在嘗試復(fù)雜解決方案之前，應(yīng)明白簡(jiǎn)單開關(guān)可顯著拓展范圍！

責(zé)任編輯：haq