電流檢測放大器是一種特殊用途集成電路差分放大器

在便攜式、物聯(lián)網(wǎng)和汽車設(shè)備及系統(tǒng)中，線路或電池供電的電子設(shè)備需要通過監(jiān)控電源電流來控制配電，因此電源完整性和控制功能至關(guān)重要。電流檢測是延長電池壽命、防止過流情況、監(jiān)控接地故障和優(yōu)化電源控制的關(guān)鍵。問題是需要在高共模電壓下進(jìn)行精確測量。

電流檢測放大器 (CSA) 或分流監(jiān)控器是專為執(zhí)行此類關(guān)鍵測量而設(shè)計(jì)的差分放大器 IC。電流測量的基本原理是將串聯(lián)分流電阻器用作電流傳感器，然后計(jì)算其上的電壓降。這些分流器和相關(guān)電流檢測放大器的選擇與放置對于正確配電和高效率運(yùn)行至關(guān)重要。

本文將說明如何根據(jù)精度要求和成本來選擇分流器和電流檢測放大器。

電阻器電流檢測

測量電流的最簡單方法是插入一個小電阻器（也稱為分流器）與待測電流串聯(lián)。測量電流檢測電阻兩端的電壓，然后根據(jù)已知電阻值，利用歐姆定律計(jì)算電流。該方法具有簡單、低成本和線性的優(yōu)點(diǎn)。

電流檢測電阻的選擇必須關(guān)注電阻器精度、電阻溫度系數(shù) (TCR) 和額定功率。對于給定電流值，電阻值決定電阻兩端的電壓降。它還決定檢測電阻的功耗。一般而言，檢測電阻值遠(yuǎn)小于 1 Ω。市場上有專用電阻器用于這種應(yīng)用。這些電阻器采用板、箔或膜形式的金屬元件，或采用沉積的薄膜或厚膜混合元件。

金屬表面貼裝分流電阻器的示例之一是OhmiteMCS3264R005FEZR電流檢測電阻（圖 1）。該表面貼裝器件 (SMD) 是一款雙端子、5 mΩ 電阻器，額定功率為 2 W，TCR 為 50 ppm/°C。

圖 1：Ohmite MCS3264R005FEZR 是一款金屬表面貼裝 5 mΩ 分流電阻器。（圖片來源：Ohmite）

分流電阻器也有四端子（開爾文）配置。在開爾文連接中，電流供應(yīng)給一對源連接端子。另外兩個檢測連接（電壓引線）緊鄰分流電阻。電壓引線的放置避免了與源極引線或觸頭相關(guān)的電壓降。幾乎沒有電流流向測量儀表，因此檢測引線中的電壓降可忽略不計(jì)。OhmiteFC4TR050FER是一款 50 mΩ、四端子金屬箔分流器。

應(yīng)當(dāng)注意，由于電阻溫度系數(shù)的存在，檢測電阻的值會隨溫度變化而變化。選擇低 TCR 的電阻器，使用高額定功率的電阻器，或采用散熱器，都是降低溫度對電阻影響的辦法。

電流檢測放大器

電流檢測放大器是一種特殊用途集成電路差分放大器，設(shè)計(jì)用于檢測分流器上產(chǎn)生的電壓，并輸出與被測電流成比例的電壓。電流檢測電阻兩端的電壓通常在 1 到 100 mV 范圍內(nèi)，但可能取決于標(biāo)稱總線電壓電位。CSA 設(shè)計(jì)有高共模抑制比 (CMRR)，以消除輸出中的總線電壓。這些器件能夠處理超過其自身電源電壓的共模電壓。

圖 2 是電流檢測放大器的簡化示意圖，顯示了一個具有反向和非反向輸入以及單路輸出的典型差分放大器。

圖 2：典型電流檢測放大器的簡化示意圖。增益由電阻器 R2 對 R1 和 R4 對 R3 的比值設(shè)置。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

電阻值設(shè)置 CSA 的增益。該結(jié)構(gòu)是對稱的，R1 = R3，R2 = R4。增益由 R2 對 R1 和 R4 對 R3 的比值確定。在典型 CSA 實(shí)施中，例如Texas Instruments的高性能INA210CIDCKR，R2 和 R4 為 1 MΩ，R1 和 R3 為 5 kΩ，故增益為 200 V/V。此版本放大器的增益精度為 0.5％。該 IC 的額定電源電壓為 2.7 至 26 V，但最大共模輸入電壓為 -3 至 26 V，與電源電壓無關(guān)。這是 CSA 的關(guān)鍵區(qū)別性特征。輸入失調(diào)電壓僅為 35 μV，CMRR 典型值為 140 dB。

根據(jù)具體應(yīng)用，Texas InstrumentsINA180B3IDBVR可能是更經(jīng)濟(jì)的 CSA 選擇。該 CSA 具有相同的共模輸入電壓范圍，且可提供 20、50、100 和 200 V/V 的增益。增益精度為 1％，CMRR 為 100 dB，輸入失調(diào)電壓為 100 μV。

電流檢測配置

電流檢測拓?fù)溆袃煞N：高壓側(cè)檢測和低壓側(cè)檢測。高壓側(cè)配置將檢測電阻放在電壓源和負(fù)載之間，而低壓側(cè)檢測將分流器放在負(fù)載和接地之間（圖 3）。

圖 3：高壓側(cè)檢測將分流器 (RSENSE) 置于電壓源和負(fù)載之間，而低壓側(cè)檢測將其置于負(fù)載和接地之間。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

低壓側(cè)檢測以地電壓為基準(zhǔn)，具有低輸入共模電壓。這使得電流監(jiān)控放大器和相關(guān)電路更簡單，成本通常也會降低。

低壓側(cè)連接的缺點(diǎn)是它將負(fù)載提升到地電壓以上。當(dāng)電流值變化時，流過分流電阻器的電流會提升或降低系統(tǒng)基準(zhǔn)電平。這可能導(dǎo)致控制回路出現(xiàn)問題。此外，這種電路配置無法檢測到分流電阻器周圍的電壓總線的接地短路。

高壓側(cè)拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)是負(fù)載和系統(tǒng)基準(zhǔn)電壓固定在地電壓，與監(jiān)控的電流無關(guān)，并且可以輕松檢測到總線接地短路的情況。

缺點(diǎn)是，測量電路的輸入端存在一個接近總線電壓的共模電壓。除了加壓于電流檢測放大器之外，在某些應(yīng)用中，還可能要求下移 CSA 輸出電平至接近系統(tǒng)基準(zhǔn)電平。

與高壓側(cè)檢測相關(guān)的問題促使業(yè)界開發(fā)了很多 CSA 系列產(chǎn)品。INA180 和 INA210 都是新型 CSA，可以處理 -3 至 26 V 的共模電壓，無論電源電壓是多少。它們適合電機(jī)控制、電池監(jiān)控和電源管理等等應(yīng)用?？偩€電壓較高的應(yīng)用可以使用其他提供高達(dá) 80 V 輸入共模電壓范圍的 CSA。對于更高的電壓，CSA 需要使用外部元件來將放大器與共模電壓隔離，或者使用隔離放大器。

選擇檢測電阻值

檢測電阻值應(yīng)保證在預(yù)期總線電流范圍內(nèi)，電阻上的電壓降遠(yuǎn)高于 CSA 電壓失調(diào)和任何加性垂直噪聲。檢測電阻的額定功率將由最大總線電流和最大電壓降決定。

舉個例子，12 V 總線預(yù)計(jì)承載最大 2 A 電流。若使用 INA210 CSA，分流器兩端的電壓降應(yīng)大于最大失調(diào)電壓 35 μV。

共模抑制比在 105 到 140 dB 的范圍內(nèi)。使用較低值 (105 dB)，12 V 總線電位（共模電壓）將被衰減至約 67 μV。它乘以放大器的增益后，將顯示為 CSA 輸出端的失調(diào)電壓。此共模殘留失調(diào)不是待測電流引起的，而且這種情況下的殘留不會造成問題，因?yàn)樗∮跍y量值的 1％。

檢測電阻值的選擇必須確保電壓降遠(yuǎn)大于失調(diào)電壓。對于 INA210（增益為 200）輸出端的 2 V 單極性擺幅，輸入應(yīng)為 10 mV。這顯著大于上述輸入電壓失調(diào)或共模殘留。在標(biāo)稱最大電流 2 A 時，檢測電阻值應(yīng)為 5 mΩ。分流器的額定功率至少應(yīng)為標(biāo)稱預(yù)期最大功耗 20 mW 的兩倍。前述 Ohmite MCS3264R010FEZR 的額定功率為 2 W，因此可以使用。

利用 Texas Instruments TINA-TI 程序仿真此配置，我們可以看到電路的直流和交流傳輸特性（圖 4）。直流傳輸特性顯示出線性響應(yīng)，斜率為 1 V/A。對于 2 A 最大電流，它將產(chǎn)生 2 V 輸出。交流響應(yīng)的帶寬為 20 kHz。

圖 4：Texas Instruments TINA-TI 電路仿真，使用 5 mΩ 分流器，顯示出斜率為 1 V/A 的線性直流傳輸特性。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

總結(jié)

電流檢測放大器專門設(shè)計(jì)用于根據(jù)串聯(lián)分流電阻器上的電壓降來測量總線電流，特別適合于存在高共模電壓情況下的高壓側(cè)測量。這些放大器易于選擇，如果使用得當(dāng)，它們可以出色地完成電子系統(tǒng)中的電源測量、監(jiān)視和控制任務(wù)。