Onsemi NCS21671/NCV21671电流检测放大器：技术解析与应用指南

在电子设计领域，精确的电流检测至关重要，它关乎着系统的性能、安全和可靠性。Onsemi推出的NCS21671和NCV21671系列电压输出电流检测放大器，凭借其出色的性能和丰富的功能，成为了众多工程师的首选。今天，我们就来深入剖析这两款器件，探讨它们的特点、应用以及设计要点。

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一、产品概述

NCS21671和NCV21671是一系列电压输出电流检测放大器，提供25、50、100和200 V/V的增益选择。它们能够在-0.1 V至40 V的共模电压下测量分流器两端的电压，且与电源电压无关。零漂移架构的低失调特性，使得它们能够检测低至10 mV满量程的电压降，实现高精度的电流检测。此外，该系列器件还具备可选的使能功能，可在禁用或电源电压低于1.5 V时，将输入引脚和电源引脚的电流消耗降至极低水平。同时，还提供了两个可选引脚，用于简化输入滤波。

二、产品特性

2.1 宽共模输入范围

• 共模输入电压范围为-0.1 V至40 V，能够适应各种复杂的应用场景，无论是高电压还是低电压系统，都能稳定工作。

  2.2 宽电源电压范围

• 电源电压范围为1.8 V至5.5 V，支持单电源供电，降低了系统的设计复杂度和成本。

  2.3 低失调电压

• 最大失调电压为25 μV，确保了高精度的电流检测，减少了测量误差。

  2.4 轨到轨输出能力

• 输出能够达到电源轨，提供了更大的动态范围，提高了系统的性能。

  2.5 低电流消耗

• 最大电源电流为80 μA，降低了系统的功耗，延长了电池的使用寿命。

  2.6 使能引脚

• 可用于关闭输入和电源电流，实现低功耗模式，提高系统的效率。

  2.7 可选输入滤波

• 通过CIN+和CIN-引脚，可添加外部电容，实现低通输入滤波，提高系统的抗干扰能力。

  2.8 汽车级应用

• NCV前缀的产品适用于汽车和其他需要独特场地和控制变更要求的应用，符合AEC-Q100标准，具备PPAP能力。

  2.9 环保设计

• 该系列器件为无铅、无卤素/BFR，符合RoHS标准，满足环保要求。

三、引脚功能描述

3.1 NC（No connect）

• 该引脚必须保持不与外部电路连接。

  3.2 CIN+（Input）

• 仅在Micro10封装中可用。可在CIN+和CIN-之间添加一个可选电容，以创建低通输入滤波器。

  3.3 IN+（Input）

• 该引脚连接到检测电阻或电流分流器的正端。当器件处于关断模式（EN=0）时，该引脚变为高阻抗。

  3.4 IN-（Input）

• 该引脚连接到检测电阻或电流分流器的负端。当器件处于关断模式（EN=0）时，该引脚变为高阻抗。

  3.5 CIN-（Input）

• 仅在Micro10封装中可用。可在CIN+和CIN-之间添加一个可选电容，以创建低通输入滤波器。

  3.6 Vs（Supply）

• 这是为内部电路提供电源的正电源引脚。建议在该引脚附近放置一个0.1 μF的外部旁路电容，以减少电源噪声。

  3.7 EN（Input）

• 仅在Micro10封装中可用。当该引脚开路时，无上拉电阻使能器件。使能引脚可连接到Vs或由逻辑电平驱动，以启用器件。如果该引脚被驱动为低电平，器件将进入低功耗模式，以节省电流消耗。

  3.8 REF（Input）

• 该引脚设置内部差分放大器电路的参考电压，允许进行单向或双向电流检测。对于单向电流检测，将该引脚连接到GND；对于双向电流检测，将该引脚连接到GND和Vs之间的电压。

  3.9 GND（Supply）

• 这是电路的负电源轨。

  3.10 OUT（Output）

• 输出引脚提供低阻抗电压输出。当器件处于关断模式（EN=0）时，该引脚变为高阻抗。

四、电气特性

4.1 输入特性

• 共模抑制比（CMRR）：在不同增益和共模电压下，CMRR可达109 dB至134 dB，有效抑制共模干扰。
• 输入失调电压（Vos）：最大失调电压为±19 μV，确保了高精度的电流检测。
• 输入失调电压漂移（dVos/dT）：最大漂移为±0.5 μV/°C，保证了在不同温度下的稳定性。
• 电源抑制比（PSRR）：在1.8 V至5.5 V的电源电压范围内，PSRR为±10 μV/V，减少了电源波动对测量的影响。
• 输入偏置电流（IB）：最大偏置电流为35 μA，降低了输入电路的负载。

  4.2 输出特性

• 增益（G）：提供25、50、100和200 V/V的增益选择，满足不同的应用需求。
• 增益误差（EG）：在-40°C至125°C的温度范围内，增益误差最大为±0.5%，确保了高精度的放大。
• 非线性误差：最大非线性误差为±0.01%，保证了输出的线性度。

  4.3 频率响应特性

• 带宽（BW）：在不同增益下，带宽为20 kHz至40 kHz，满足了大多数应用的频率要求。
• 压摆率（SR）：最大压摆率为0.3 V/μs，确保了快速的响应速度。
• 建立时间（Ts）：从电流阶跃到最终值的1%以内的建立时间为30 μs，提高了系统的响应速度。

  4.4 噪声特性

• 电压噪声密度（en）：在不同增益下，电压噪声密度为46 nV/√Hz至56 nV/√Hz，降低了噪声对测量的影响。

  4.5 电源特性

• 静态电流（IQ）：最大静态电流为80 μA，降低了系统的功耗。
• 关断静态电流（IBSD）：最大关断静态电流为0.5 μA，实现了低功耗模式。
• 上电时间（tPON）：上电时间为40 μs，确保了快速的启动。

五、典型应用

5.1 电源总线监控

• 可用于监控电源总线的电流，确保系统的安全和稳定运行。通过检测总线上的电流，可以及时发现过流、短路等故障，采取相应的保护措施。

  5.2 电池电流监控

• 可用于监控电池的充放电电流，实现对电池状态的精确监测。在电池充电过程中，检测充电电流的大小，避免过充；在电池放电过程中，检测放电电流的大小，估算电池的剩余电量。

  5.3 照明镇流器

• 可用于照明镇流器中，控制照明设备的电流，实现调光功能。通过调节镇流器中的电流，可以改变照明设备的亮度，满足不同的照明需求。

六、设计要点

6.1 电流检测技术选择

• 低侧检测：简单、成本低，但无法检测电源正线到地的短路故障，且会增加负载接地路径的电阻。
• 高侧检测：能够检测电源正线到地的短路故障，避免在负载接地路径中增加电阻，适用于对安全性要求较高的应用。

  6.2 双向操作配置

• 单向电流检测：将REF引脚连接到GND，IN+引脚连接到检测电阻的高端，IN-引脚连接到检测电阻的低端。
• 双向电流检测：将REF引脚连接到GND和Vs之间的电压，通常连接到电源的中间电压，以实现对电流双向流动的监测。

  6.3 使能引脚的使用

• 可通过使能引脚将器件置于关断模式，降低电流消耗。在不需要进行电流检测时，将使能引脚置低，使器件进入低功耗模式，延长电池的使用寿命。

  6.4 输入滤波设计

• 可通过在CIN+和CIN-引脚之间添加外部电容，实现低通输入滤波，减少高频噪声的干扰。同时，要注意选择合适的电容值，以满足系统的频率响应要求。

  6.5 分流电阻的选择

• 电流测量的精度取决于分流电阻的精度、大小和阻值。阻值越大，测量精度越高，但会增加电流损耗。建议使用四端电流检测电阻，采用开尔文检测技术，确保检测放大器测量的电压是电阻两端的实际电压，减少测量误差。

  6.6 增益选择

• 该系列器件提供25、50、100和200 V/V的增益选择，由集成的精密比例匹配电阻设置。不建议添加外部电阻来调整增益，以免增加系统误差。

七、总结

Onsemi的NCS21671和NCV21671系列电流检测放大器具有宽共模输入范围、低失调电压、低电流消耗等优点，适用于各种电流检测应用。在设计过程中，需要根据具体的应用需求，合理选择电流检测技术、双向操作配置、使能引脚的使用、输入滤波设计、分流电阻和增益等参数，以确保系统的性能和可靠性。希望本文能够为电子工程师在使用NCS21671和NCV21671系列器件时提供一些参考和帮助。你在实际应用中是否遇到过类似的电流检测问题？你是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。