电流检测放大器是一种特殊用途集成电路差分放大器

电子设计 2018-09-14 09:53 次阅读

在便携式、物联网和汽车设备及系统中,线路或电池供电的电子设备需要通过监控电源电流来控制配电,因此电源完整性和控制功能至关重要。电流检测是延长电池寿命、防止过流情况、监控接地故障和优化电源控制的关键。问题是需要在高共模电压下进行精确测量。

电流检测放大器 (CSA) 或分流监控器是专为执行此类关键测量而设计的差分放大器 IC。电流测量的基本原理是将串联分流电阻器用作电流传感器,然后计算其上的电压降。这些分流器和相关电流检测放大器的选择与放置对于正确配电和高效率运行至关重要。

本文将说明如何根据精度要求和成本来选择分流器和电流检测放大器。

电阻器电流检测

测量电流的最简单方法是插入一个小电阻器(也称为分流器)与待测电流串联。测量电流检测电阻两端的电压,然后根据已知电阻值,利用欧姆定律计算电流。该方法具有简单、低成本和线性的优点。

电流检测电阻的选择必须关注电阻器精度、电阻温度系数 (TCR) 和额定功率。对于给定电流值,电阻值决定电阻两端的电压降。它还决定检测电阻的功耗。一般而言,检测电阻值远小于 1 Ω。市场上有专用电阻器用于这种应用。这些电阻器采用板、箔或膜形式的金属元件,或采用沉积的薄膜或厚膜混合元件。

金属表面贴装分流电阻器的示例之一是 Ohmite MCS3264R005FEZR 电流检测电阻(图 1)。该表面贴装器件 (SMD) 是一款双端子、5 mΩ 电阻器,额定功率为 2 W,TCR 为 50 ppm/°C。

Ohmite MCS3264R005FEZR 分流电阻器的图片

图 1:Ohmite MCS3264R005FEZR 是一款金属表面贴装 5 mΩ 分流电阻器。(图片来源:Ohmite)

分流电阻器也有四端子(开尔文)配置。在开尔文连接中,电流供应给一对源连接端子。另外两个检测连接(电压引线)紧邻分流电阻。电压引线的放置避免了与源极引线或触头相关的电压降。几乎没有电流流向测量仪表,因此检测引线中的电压降可忽略不计。Ohmite FC4TR050FER 是一款 50 mΩ、四端子金属箔分流器。

应当注意,由于电阻温度系数的存在,检测电阻的值会随温度变化而变化。选择低 TCR 的电阻器,使用高额定功率的电阻器,或采用散热器,都是降低温度对电阻影响的办法。

电流检测放大器

电流检测放大器是一种特殊用途集成电路差分放大器,设计用于检测分流器上产生的电压,并输出与被测电流成比例的电压。电流检测电阻两端的电压通常在 1 到 100 mV 范围内,但可能取决于标称总线电压电位。CSA 设计有高共模抑制比 (CMRR),以消除输出中的总线电压。这些器件能够处理超过其自身电源电压的共模电压。

图 2 是电流检测放大器的简化示意图,显示了一个具有反向和非反向输入以及单路输出的典型差分放大器。

典型电流检测放大器的简化示意图

图 2:典型电流检测放大器的简化示意图。增益由电阻器 R2 对 R1 和 R4 对 R3 的比值设置。(图片来源:Digi-Key Electronics)

电阻值设置 CSA 的增益。该结构是对称的,R1 = R3,R2 = R4。增益由 R2 对 R1 和 R4 对 R3 的比值确定。在典型 CSA 实施中,例如 Texas Instruments 的高性能 INA210CIDCKR,R2 和 R4 为 1 MΩ,R1 和 R3 为 5 kΩ,故增益为 200 V/V。此版本放大器的增益精度为 0.5%。该 IC 的额定电源电压为 2.7 至 26 V,但最大共模输入电压为 -3 至 26 V,与电源电压无关。这是 CSA 的关键区别性特征。输入失调电压仅为 35 μV,CMRR 典型值为 140 dB。

根据具体应用,Texas Instruments INA180B3IDBVR 可能是更经济的 CSA 选择。该 CSA 具有相同的共模输入电压范围,且可提供 20、50、100 和 200 V/V 的增益。增益精度为 1%,CMRR 为 100 dB,输入失调电压为 100 μV。

电流检测配置

电流检测拓扑有两种:高压侧检测和低压侧检测。高压侧配置将检测电阻放在电压源和负载之间,而低压侧检测将分流器放在负载和接地之间(图 3)。

高压侧与低压侧检测对比图

图 3:高压侧检测将分流器 (RSENSE) 置于电压源和负载之间,而低压侧检测将其置于负载和接地之间。(图片来源:Digi-Key Electronics)

低压侧检测以地电压为基准,具有低输入共模电压。这使得电流监控放大器和相关电路更简单,成本通常也会降低。

低压侧连接的缺点是它将负载提升到地电压以上。当电流值变化时,流过分流电阻器的电流会提升或降低系统基准电平。这可能导致控制回路出现问题。此外,这种电路配置无法检测到分流电阻器周围的电压总线的接地短路。

高压侧拓扑的优点是负载和系统基准电压固定在地电压,与监控的电流无关,并且可以轻松检测到总线接地短路的情况。

缺点是,测量电路的输入端存在一个接近总线电压的共模电压。除了加压于电流检测放大器之外,在某些应用中,还可能要求下移 CSA 输出电平至接近系统基准电平。

与高压侧检测相关的问题促使业界开发了很多 CSA 系列产品。INA180 和 INA210 都是新型 CSA,可以处理 -3 至 26 V 的共模电压,无论电源电压是多少。它们适合电机控制、电池监控和电源管理等等应用。总线电压较高的应用可以使用其他提供高达 80 V 输入共模电压范围的 CSA。对于更高的电压,CSA 需要使用外部元件来将放大器与共模电压隔离,或者使用隔离放大器

选择检测电阻值

检测电阻值应保证在预期总线电流范围内,电阻上的电压降远高于 CSA 电压失调和任何加性垂直噪声。检测电阻的额定功率将由最大总线电流和最大电压降决定。

举个例子,12 V 总线预计承载最大 2 A 电流。若使用 INA210 CSA,分流器两端的电压降应大于最大失调电压 35 μV。

共模抑制比在 105 到 140 dB 的范围内。使用较低值 (105 dB),12 V 总线电位(共模电压)将被衰减至约 67 μV。它乘以放大器的增益后,将显示为 CSA 输出端的失调电压。此共模残留失调不是待测电流引起的,而且这种情况下的残留不会造成问题,因为它小于测量值的 1%。

检测电阻值的选择必须确保电压降远大于失调电压。对于 INA210(增益为 200)输出端的 2 V 单极性摆幅,输入应为 10 mV。这显著大于上述输入电压失调或共模残留。在标称最大电流 2 A 时,检测电阻值应为 5 mΩ。分流器的额定功率至少应为标称预期最大功耗 20 mW 的两倍。前述 Ohmite MCS3264R010FEZR 的额定功率为 2 W,因此可以使用。

利用 Texas Instruments TINA-TI 程序仿真此配置,我们可以看到电路的直流和交流传输特性(图 4)。直流传输特性显示出线性响应,斜率为 1 V/A。对于 2 A 最大电流,它将产生 2 V 输出。交流响应的带宽为 20 kHz。

Texas Instruments TINA-TI 电路仿真的图片

图 4:Texas Instruments TINA-TI 电路仿真,使用 5 mΩ 分流器,显示出斜率为 1 V/A 的线性直流传输特性。(图片来源:Digi-Key Electronics)

总结

电流检测放大器专门设计用于根据串联分流电阻器上的电压降来测量总线电流,特别适合于存在高共模电压情况下的高压侧测量。这些放大器易于选择,如果使用得当,它们可以出色地完成电子系统中的电源测量、监视和控制任务。

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