深入解析MAX9918/MAX9919/MAX9920电流感测放大器

在电子设计领域，电流感测是一项至关重要的技术，广泛应用于各种电路中，以实现对电流的精确监测和控制。今天，我们将深入探讨Maxim Integrated推出的MAX9918/MAX9919/MAX9920系列单电源、高精度单/双向电流感测放大器，了解它们的特性、应用以及设计要点。

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一、产品概述

MAX9918/MAX9919/MAX9920是一系列单电源、高精度的电流感测放大器，具有-20V至+75V的高输入共模电压范围。这使得它们非常适合用于监测电感负载（如电机和螺线管）的电流，因为在这些应用中，由于电感反冲、反接电池或瞬态事件，共模电压可能会变为负值。

1. 增益特性

• MAX9918/MAX9920：增益可通过外部电阻分压器网络进行调节。
• MAX9919：具有固定增益，其中MAX9919F的增益为45V/V，MAX9919N的增益为90V/V。

2. 工作模式

• 单向放大器：当(V_{REFIN }=GND)时，器件作为单向放大器工作。
• 双向放大器：当(V{REFIN }=V{CC} / 2)时，器件作为双向放大器工作。

3. 输入信号衰减

MAX9920在输入电平转换阶段将输入信号衰减4倍，允许器件在单向操作时感测高达200mV的电压，在双向操作时感测±100mV的电压。

4. 电源和温度范围

这些放大器采用单5V电源供电，在-40°C至+125°C的汽车温度范围内完全指定，并采用8引脚SOIC封装。

二、应用领域

MAX9918/MAX9919/MAX9920系列放大器具有广泛的应用领域，包括但不限于以下几个方面：

• H桥电机电流感测：用于精确监测电机的电流，实现电机的高效控制。
• 螺线管电流感测：确保螺线管的正常工作和精确控制。
• 电感负载电流监测：对各种电感负载的电流进行实时监测。
• 高低侧精密电流感测：在不同的电路配置中实现高精度的电流测量。
• 超级电容器充放电监测：监测超级电容器的充放电过程，保证其安全和高效运行。
• 精密高压电流监测：适用于需要高精度电流监测的高压应用。
• 汽车应用：满足汽车电子系统对电流监测的严格要求。

三、特性与优势

1. 减少高电感反冲电压的保护钳位

• 宽输入共模电压范围：-20V至+75V的输入共模电压范围，支持广泛的精密交流和直流电流感测应用。
• 单/双向电流感测：可根据实际需求选择单向或双向电流感测模式。
• 高精度：最大增益精度误差为0.6%，最大输入失调电压为400µV。
• 高带宽：MAX9919N的-3dB带宽为120kHz。
• 双向输出参考输入：方便实现双向电流感测。
• 轨到轨输出：提供更大的输出电压范围。

2. 节省电路板空间

• 8引脚SOIC封装：体积小巧，节省电路板空间。
• 单电源操作：4.5V至5.5V的单电源供电，简化电路设计。

3. 汽车级认证

部分型号（MAX9918ASA/V+、MAX9919FASA/V+、MAX9919NASA/V+、MAX9920ASA/V+）通过了AEC-Q100认证，适用于汽车电子应用。

四、电气特性

1. 输入失调电压

在不同的温度和共模电压条件下，MAX9918/MAX9919/MAX9920的输入失调电压有所不同。例如，在(T{A}=+25^{circ} C)，(V{RS+}=V{RS-}=+14V)，(V{REFIN }=0V)的条件下，MAX9918的输入失调电压典型值为±0.14mV，最大值为±0.4mV。

2. 输入失调电压漂移

输入失调电压漂移反映了输入失调电压随温度的变化情况。不同型号的器件在不同的共模电压条件下，输入失调电压漂移也有所不同。

3. 共模抑制比（CMRR）

MAX9918和MAX9919在-2V ≤ VCM ≤ +14V的范围内，CMRR为80dB；在-20V ≤ VCM ≤ +75V的范围内，CMRR为96dB。MAX9920在相应范围内的CMRR分别为72dB和86dB。

4. 增益和增益误差

MAX9918和MAX9920的增益可通过外部电阻分压器网络进行调节，最小可调增益分别为7.5V/V和30V/V。MAX9919F的固定增益为45V/V，MAX9919N的固定增益为90V/V。增益误差在不同的温度和共模电压条件下有所不同。

5. 输出电压

输出电压高（(V{CC} - V{OH})）和输出电压低（(V_{OL})）在不同的负载电阻和感测电压条件下有不同的取值。

6. 其他特性

还包括输入偏置电流、输入失调电流、输入泄漏电流、输入电阻、全量程感测电压、电源抑制比（PSRR）、电源电流、关断电源电流、小信号-3dB带宽、压摆率、1%建立时间等特性。

五、典型工作特性

文档中提供了大量的典型工作特性曲线，包括失调电压与共模电压、电源电压的关系，增益误差与共模电压、电源电压的关系，线性度与感测电压的关系等。这些曲线可以帮助工程师更好地了解器件在不同条件下的性能，从而进行合理的设计。

六、引脚配置与功能

1. 引脚配置

MAX9918/MAX9919/MAX9920采用8引脚SO-EP封装，各引脚的功能如下：

• RS+：正电流感测输入，电源侧连接到外部感测电阻。
• RS-：负电流感测输入，负载侧连接到外部感测电阻。
• SHDN：高电平有效关断输入，连接到GND以进行正常操作。
• GND：接地。
• OUT：电流感测输出，(V{OUT})与(V{SENSE})成正比。
• FB：反馈输入，用于设置MAX9918和MAX9920的增益。对于MAX9919，该引脚应保持未连接。
• REFIN：参考输入，设置为(V_{CC}/2)以进行双向操作，设置为GND以进行单向操作。
• VCC：5V电源电压输入，需要通过0.1µF电容旁路到GND。
• EP：暴露焊盘，连接到大面积连续接地平面以提高功率耗散。

2. 详细工作原理

器件的输入级采用一对电平转换器，允许在测量电流感测电阻上的电压降（(V{SENSE})）时具有较宽的共模工作范围。第一个电平转换器适应+2V至+75V的上共模工作范围，当共模电压低于+2V时，第二个电平转换器用于适应低至-20V的负电压。电平转换器将(V{SENSE})转换为内部参考电压，然后通过仪表放大器进行放大。仪表放大器配置提供了高精度，输入失调电压最大为400µV。MAX9918和MAX9920可以通过外部电阻分压器网络间接反馈来调节增益。

七、单/双向操作

1. 单向操作

当(V{REFIN }=V{GND})时，器件工作在单向模式。输出参考地，输出电压(V{OUT})与从RS+到RS-的正电压降（(V{SENSE})）成正比。

2. 双向操作

通过向REFIN施加0V至(V{CC} - 1.9V)（MAX9918/MAX9919）或0V至(V{CC} - 2.4V)（MAX9920）范围内的低源阻抗参考电压（通常为(V{CC}/2)），器件可以工作在双向模式。输出电压(V{OUT})相对于(V{REFIN})与从RS+到RS-的±(V{SENSE})电压降成正比。

八、关断模式

将SHDN引脚驱动为高电平可进入低功耗关断模式。在关断模式下，MAX9918/MAX9919/MAX9920的静态电流典型值为0.5µA。

九、可调增益（MAX9918/MAX9920）

MAX9918和MAX9920的增益可以通过使用电阻R1和R2的电阻分压器网络电路进行外部调节。增益频率补偿设置为MAX9918的最小增益为30V/V，MAX9920的最小增益为7.5V/V。增益计算公式如下：

• MAX9918：(G=left(1+frac{R 2}{R 1}right))
• MAX9920：(G=left(frac{left(1+frac{R 2}{R 1}right)}{4}right))

十、应用信息

1. 组件选择

• 增益选择：根据应用所需的最大输出电压选择合适的增益。公式为(V{OUT }=V{SENSE } × G)，其中(V_{SENSE})为全量程感测电压（MAX9918/MAX9919为50mV，MAX9920为200mV），G为器件的增益。
• 感测电阻选择：选择感测电阻时，需要考虑精度、效率和功率耗散、电感等因素。为了获得最佳性能，应选择能够为满量程电流提供约50mV（MAX9918/MAX9919）或200mV（MAX9920）感测电压的感测电阻。

2. 电源旁路和接地

使用0.1µF电容将MAX9918/MAX9919/MAX9920的(V_{CC})旁路到地。接地时不需要特殊的预防措施，但在高电流系统中，为了避免地平面上的电压降影响输出电压，可以采用OUT和REFIN之间的差分测量。为了获得最高的电流测量精度，建议使用单点星形接地，并将暴露焊盘连接到固体接地以确保最佳的热性能。

十一、总结

MAX9918/MAX9919/MAX9920系列电流感测放大器具有宽输入共模电压范围、高精度、单/双向操作等优点，适用于各种电流感测应用。在设计过程中，工程师需要根据具体的应用需求选择合适的器件和组件，并注意电源旁路和接地等问题，以确保系统的性能和可靠性。你在实际应用中是否遇到过类似电流感测放大器的使用问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。