用一個(gè)具體的例子分析在電壓軌上完成電流檢測(cè)的幾種不同方法

本文用一個(gè)具體的例子比較在電壓軌上完成電流檢測(cè)的幾種不同方法。第一種方法是使用帶分立電阻器的單運(yùn)放差分放大器；第二種方法是用V+而不是地作為參考軌；第三種方法在IC解決方案中很常見(jiàn)，在這種方案中，晶體管和運(yùn)算放大器一起工作，以接地參考電流測(cè)量。

作為EDN“設(shè)計(jì)實(shí)例”欄目的編輯，我會(huì)面對(duì)很多設(shè)計(jì)投稿，有好的，也有不太好的。最近因種種原因棄掉的一篇文章講到的高端電流檢測(cè)電路，實(shí)現(xiàn)起來(lái)就有諸多問(wèn)題。這讓我想到了在電壓軌上實(shí)現(xiàn)電流檢測(cè)的不同方法。

絕大多數(shù)直流電流檢測(cè)電路的核心設(shè)計(jì)思路，是從供電線路中的電阻下手（盡管磁場(chǎng)感應(yīng)是個(gè)好選擇，尤其是在電流較高的情況下）。人們只需簡(jiǎn)單地測(cè)量電阻兩端的電壓降，并根據(jù)需要調(diào)節(jié)阻值來(lái)讀取電流（E = I×R，如果不包含這個(gè)，有人會(huì)抱怨）。如果檢測(cè)電阻在接地支路上，那么方案就是個(gè)簡(jiǎn)單的運(yùn)放電路。一切都以地為參考，只需特別注意接地布局中的小電壓降就行了。

但通常首選方法是將檢測(cè)電阻置于電源線中。為什么？因?yàn)榻拥乜赡懿豢尚校ɡ?，通過(guò)底盤接地汽車電子產(chǎn)品），或者你可能不希望設(shè)備接地與供電接地不同（這可能導(dǎo)致接地環(huán)路和其它問(wèn)題）。那么，該怎么做？

最顯而易見(jiàn)的方法是在檢測(cè)電阻兩端跨接一個(gè)差分或儀表放大器（inamp），但實(shí)際上這算不上好方法。為了準(zhǔn)確檢測(cè)電流，通常需要極高的CMR（共模抑制），既昂貴又容易漂移。

為什么這么說(shuō)呢？我們來(lái)看一個(gè)設(shè)計(jì)示例：0-10A、12V標(biāo)稱值、5mΩ的感測(cè)電阻。

圖1：最明顯的高端電流檢測(cè)方案使用差分放大器。

這種方案甚至都不需考慮使用分立電阻，除非它們是精密匹配網(wǎng)絡(luò)的一部分（因此，當(dāng)然也就不是真正分立的）。對(duì)于1V的電源電壓偏移和80dB的差分放大器CMRR（這意味著約0.01％的電阻匹配），你會(huì)看到相當(dāng)于20mA的電流漂移（1V變化、80dB的CMRR導(dǎo)致輸入0.1mV偏移，再除以5mΩ檢測(cè)電阻的5mV/A標(biāo)定）。

對(duì)于0-12V電源，在電壓范圍內(nèi)乘以12：電壓范圍內(nèi)240mA的偏移電流。

注意，真正的三運(yùn)放儀表放大器對(duì)電阻匹配的靈敏度比單運(yùn)放差分放大器低。但是，通常有更好的方法。

上文提到的“設(shè)計(jì)實(shí)例”使用了帶有分立電阻的單運(yùn)放差分放大器。實(shí)際上，一個(gè)電阻器可以用一個(gè)電位器進(jìn)行調(diào)整，我最初認(rèn)為它用于CMRR，結(jié)果卻是增益調(diào)整！如果電源電壓穩(wěn)定，從某種意義上說(shuō)，這種方法可行——但這絕不是一個(gè)好主意。

第二種高端檢測(cè)方法需要一點(diǎn)橫向思維。我改變思想，用V+而不是地作參考軌。這在概念上就像是負(fù)電壓源的低端檢測(cè)，如果你能擺平它，這就是個(gè)很好的方案。

圖2：以V+為參考，對(duì)輸出做進(jìn)一步處理（例如，比較器）。R4可選，用于保護(hù)。

第三種方法現(xiàn)在在IC方案中很常見(jiàn)，它用晶體管和運(yùn)算放大器一起為電流測(cè)量提供地參考。當(dāng)我想到倒置運(yùn)放時(shí)，并不知道這個(gè)設(shè)計(jì)，這可能是件好事，因?yàn)楣?jié)省了一只晶體管。

圖3：ST的TSC103在回路中使用了一個(gè)BJT。

圖4：Linear的LTC6102使用一個(gè)MOSFET。

意法半導(dǎo)體（ST）、美信（Maxim）和凌力爾特（Linear）都提供此類器件，但你自己也很容易實(shí)現(xiàn)這樣的電路。