1、電流檢測(cè)電路 摘要：MAX471/MAX472是MAXIM公司生產(chǎn)的精密高端電流檢測(cè)放大器，利用該器件可以實(shí)現(xiàn)以地為參考的電流/電壓的轉(zhuǎn)換，本文介紹了用MAX471/472高端雙向電流檢測(cè)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電源電流的監(jiān)測(cè)和保護(hù)的方法，并給出了直流電源監(jiān)測(cè)與保護(hù)的實(shí)現(xiàn)電路1 電源電流檢測(cè)長(zhǎng)期以來(lái)，電源電流的檢測(cè)都是利用串聯(lián)的方法來(lái)完成的。而對(duì)于磁電儀表，一般都必須外加分流電阻以實(shí)現(xiàn)對(duì)大電流的測(cè)量，在量程范圍不統(tǒng)一時(shí)，分流電阻的選擇也不標(biāo)準(zhǔn)，從而影響到測(cè)量精度。對(duì)于互逆電源，由于測(cè)量必須利用轉(zhuǎn)換開(kāi)并來(lái)實(shí)現(xiàn)，因而不能隨機(jī)地跟蹤測(cè)量和自動(dòng)識(shí)別。在教學(xué)和實(shí)驗(yàn)室使用的穩(wěn)壓電源中，為了能夠進(jìn)行電流/電壓的適時(shí)測(cè)量

2、，可用兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。一種方法是彩 雙表法顯示，此法雖好，但成本較高，同時(shí)體積也較大；另一種方法是采用V/I復(fù)用轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，這種方法成本低，體積小，因而為大多數(shù)電源所采用，但它在測(cè)量中需要對(duì)電壓/電流進(jìn)行轉(zhuǎn)換顯示，也不方便。那么，如何對(duì)電源進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)呢？筆者在使用中發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)壓電源的電壓在初始調(diào)節(jié)狀態(tài)時(shí)，往往顯示出空載，而在接入負(fù)載后，則需要適時(shí)顯示負(fù)載電流，因此，利用負(fù)載電流作為監(jiān)測(cè)信號(hào)來(lái)完成I/V的測(cè)量轉(zhuǎn)換，可實(shí)現(xiàn)一種電量用兩種方法表示，并可完成自動(dòng)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)換功能。為了實(shí)現(xiàn)I/V的轉(zhuǎn)換，筆者利用MAX271/MAX472集成電路優(yōu)良的I/V轉(zhuǎn)換特性、完善的高端雙向電流靈敏放大器和內(nèi)置檢流電阻來(lái)

3、實(shí)現(xiàn)對(duì)穩(wěn)壓電流電流的檢測(cè)。2 MAX471/MAX472的特點(diǎn)、功能美國(guó)美信公司生產(chǎn)的精密高端電流檢測(cè)放大器是一個(gè)系列化產(chǎn)品，有MAX471/MAX472、MAX4172/MAX4173等。它們均有一個(gè)電流輸出端，可以用一個(gè)電阻來(lái)簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)以地為參考點(diǎn)的電流/電壓的轉(zhuǎn)換，并可工作在較寬的電壓和較大的電流范圍內(nèi)。MAX471/MAX472具有如下特點(diǎn)：具有完美的高端電流檢測(cè)功能；內(nèi)含精密的內(nèi)部檢測(cè)電阻（MAX471）；在工作溫度范圍內(nèi)，其精度為2%；具有雙向檢測(cè)指示，可監(jiān)控充電和放電狀態(tài)；內(nèi)部檢測(cè)電阻和檢測(cè)能力為3A，并聯(lián)使用時(shí)還可擴(kuò)大檢測(cè)電流范圍；使用外部檢測(cè)電阻可任意擴(kuò)展檢測(cè)電流范圍（MAX

4、472）；最大電源電流為100A；關(guān)閉方式時(shí)的電流僅為5A；電壓范圍為336V；采用8腳DIP/SO/STO三種封裝形式。MAX471/MAX472的引腳排列如圖1所示，圖2所示為其內(nèi)部功能框圖。表1為MAX471/MAX472的引腳功能說(shuō)明。MAX471的電流增益比已預(yù)設(shè)為500A/A，由于2k的輸出電阻（ROUT）可產(chǎn)生1V/A的轉(zhuǎn)換，因此3A時(shí)的滿(mǎn)度值為3V.用不同的ROUT電阻可設(shè)置不同的滿(mǎn)度電壓。但對(duì)于MAX471，其輸出電壓不應(yīng)大于VRS+-1.5V，對(duì)于MAX472，則不能大于VRG-1.5V。表1 MAX471/MAX472的引腳功能說(shuō)明引 腳名 稱(chēng)功 能MAX471MAX47

5、211SHDN關(guān)閉端。正常運(yùn)用時(shí)連接到地。當(dāng)此端接高電平時(shí)，電源電流小于5A2，3-RS+內(nèi)部電流檢測(cè)電阻電池（或電源端）?！?”僅指示與SIGN輸出有關(guān)的流動(dòng)方向。封裝時(shí)已將2和3連在了一起-2N.C空腳-3RG1增益電阻端。通過(guò)增益設(shè)置電阻連接到電流檢測(cè)電阻的電池端44GND地或電池負(fù)端55SIGN集電極開(kāi)路邏輯輸出端。對(duì)于MAX471來(lái)說(shuō)，低電平表示電流從RS-流向RS+，對(duì)于MAX472，低電平表示VSENSE為負(fù)。當(dāng)SHND為高電平時(shí)，SIGN不為高阻抗，如果不需要SIGN，可將其懸空6，7-RS-內(nèi)部電流檢測(cè)電阻的負(fù)載端?！?”僅表示與SIGN輸出有關(guān)的流動(dòng)方向，封裝時(shí)已將6和7連

6、在一起-6RG2增益電阻端。通道增益設(shè)置電阻連接至電流檢測(cè)電阻負(fù)載端-7VccMAX471電源輸入端。連接至檢測(cè)電阻與RG1的連接點(diǎn)88OUT電流輸出，它正比于流過(guò)TSENSE被測(cè)電路的幅度，在MAX741中，此引腳到地之間應(yīng)接一個(gè)2k電阻，每一安培被測(cè)電流將產(chǎn)生大小等于1V的電壓OUT端為電流幅度輸出端，而SIGN端可用來(lái)指示輸出電流的方向。SIGN是一個(gè)集電極開(kāi)路的輸出端（僅吸收電流），可和任何采用電壓供電的邏輯電路相連，用100k的上拉電阻即可把SIGN連接到邏輯電源。對(duì)于MAX471來(lái)說(shuō)，在電流從RS-流向RS+時(shí)，輸出低電平。而當(dāng)電流從RS+流向RS-時(shí)，輸出高電平。在采有電流供電的

7、電路中，無(wú)論是充電還是放電，只要負(fù)載電流大于1mA，SIGN端的輸出都能精確地指示出電流方向。在SHDN為高電平時(shí)，MAX471/MAX472進(jìn)入關(guān)閉模式，此時(shí)系統(tǒng)的消耗電流小于5A。在關(guān)閉狀態(tài)下，SIGN為高阻狀態(tài)，OUT截止。3 電源監(jiān)測(cè)與保護(hù)電路用MAX471構(gòu)成的直流電源監(jiān)測(cè)與保護(hù)電路如圖3所示，該電路可以和任意電源相連，能進(jìn)行電流、電壓的自動(dòng)顯示和過(guò)流報(bào)警與保護(hù)。圖中R1為MAX471輸出端電阻，用于決定I/V的轉(zhuǎn)換靈敏度。由于筆者是采用85C1-V30V磁電式直流電壓表來(lái)顯示輸出電壓和電流的，所以R2為20k，靈敏度為10V/A。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，R1可用標(biāo)準(zhǔn)儀表來(lái)進(jìn)行微調(diào)校正。J1-1

8、為電壓/電流顯示轉(zhuǎn)換繼電器。在初始狀態(tài)下調(diào)整輸出電壓時(shí)，由于未接負(fù)載，Irt為零，IOUT端的輸出電壓為零，J1不吸合，J1-1常閉以使昨電壓表接入電源輸出端，從而顯示輸出電壓，并使VD3發(fā)光，以表示測(cè)接入量值為電壓。當(dāng)負(fù)載電源后，IOUT端通過(guò)R1使VT2導(dǎo)通，繼電器J1吸合，電壓表通過(guò)JL-1接入IOUT端以顯示I/V轉(zhuǎn)換器，同時(shí)，VD4發(fā)光以表示測(cè)量值為負(fù)載電流，開(kāi)關(guān)K為強(qiáng)制轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，可方便地將顯示儀表設(shè)置為輸出電壓測(cè)量。此開(kāi)關(guān)一般情況下處在打開(kāi)狀態(tài)。VT1為射極輸出器，可用于減小VT2和IC2對(duì)IOUT端的影響。過(guò)流保護(hù)電路用集成電路TL431來(lái)完成，J2為過(guò)流保護(hù)用繼電器，W為過(guò)流保

9、護(hù)調(diào)節(jié)電位器，當(dāng)VA=UBR5/（W+R5）=2.5V時(shí)，TL431的陽(yáng)極端電壓為2.5V，J2吸合，J2-1切斷輸出；同時(shí)J2-2閉合，VD5發(fā)光指示，報(bào)警音樂(lè)集成電路IC3得電并通過(guò)VT3驅(qū)動(dòng)報(bào)警喇叭，從而以聲、光形式構(gòu)成流保護(hù)指示。用MAX471MAX472實(shí)現(xiàn)I/V的轉(zhuǎn)換可簡(jiǎn)化對(duì)電源電流的測(cè)量，并可實(shí)行對(duì)高端電流的監(jiān)測(cè)，可以和任意電源共地應(yīng)用，它內(nèi)置電阻精度高，且能關(guān)聯(lián)擴(kuò)流使用。這對(duì)學(xué)生用實(shí)驗(yàn)電源的改造非常方便。尤其是模塊化電源監(jiān)測(cè)的保擴(kuò)板，由于它能夠完成完整的I/V顯示及過(guò)程保護(hù)功能，因此，特別適用于通用的實(shí)驗(yàn)電源。電流檢測(cè)電路的詳細(xì)分析時(shí)間：2012-04-14 21:28:43

10、來(lái)源：廣州大學(xué) 作者：楊汝摘要：介紹電流檢測(cè)電路的實(shí)現(xiàn)方法，并探討在電流檢測(cè)中常遇見(jiàn)的電流互感器飽和、副邊電流下垂的問(wèn)題，最后用實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析了升壓電路中電流檢測(cè)的方法。關(guān)鍵詞：電流檢測(cè)電流互感器磁芯復(fù)位The Discussion of Current Sense in the Switch Circuit Abstract:The article has introduced the methods of current sense circuit.Then it discusses saturation of the current sense transformer and droop

11、effect of the second side Current.At last the article has analyzed the current sense in the boost circuit through experiment. Keywords: Current sense, Current sense transformer, Core reset 中圖法分類(lèi)號(hào)：TN86文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：02192713(2000)11590021引言功率開(kāi)關(guān)電路的電路拓?fù)浞譃殡娏髂Ｊ娇刂坪碗妷耗Ｊ娇刂?。電流模式控制具有?dòng)態(tài)反應(yīng)快、補(bǔ)償電路簡(jiǎn)化、增益帶寬大、輸出電感小、易于均流

12、等優(yōu)點(diǎn)，因而取得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。而在電流模式的控制電路中，需要準(zhǔn)確、高效地測(cè)量電流值，故電流檢測(cè)電路的實(shí)現(xiàn)就成為一個(gè)重要的問(wèn)題。本文介紹了電流檢測(cè)電路的實(shí)現(xiàn)方法，并探討在電流檢測(cè)中常遇見(jiàn)的電流互感器飽和、副邊電流下垂的問(wèn)題，最后用實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析了升壓電路中電流檢測(cè)方法。2電流檢測(cè)電路的實(shí)現(xiàn)在電流環(huán)的控制電路中，電流放大器通常選擇較大的增益，其好處是可以選擇一個(gè)較小的電阻來(lái)獲得足夠的檢測(cè)電壓，而檢測(cè)電阻小損耗也小。電流檢測(cè)電路的實(shí)現(xiàn)方法主要有兩類(lèi)：電阻檢測(cè)（resistivesensing）和電流互感器（currentsensetransformer）檢測(cè)。電阻檢測(cè)有兩種，如圖1、圖2所示。當(dāng)使

13、用圖1直接檢測(cè)開(kāi)關(guān)管的電流時(shí)還必須在檢測(cè)電阻RS旁并聯(lián)一個(gè)小RC濾波電路，如圖3所示。因?yàn)楫?dāng)開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)時(shí)集電極電容放電，在電流檢測(cè)電阻上產(chǎn)生瞬態(tài)電流尖峰，此尖峰的脈寬和幅值常足以使電流放大器鎖定，從而使PWM電路出錯(cuò)。但是在實(shí)際電路設(shè)計(jì)時(shí)，特別在設(shè)計(jì)大功率、大電流電路時(shí)采用電阻檢測(cè)的方法并不理想，因?yàn)闄z測(cè)電阻損耗大，達(dá)數(shù)瓦，甚至十幾瓦；而且很難找到幾百毫歐或幾十毫歐那么小的電阻。圖1電阻檢測(cè)（接地）圖2電阻檢測(cè)（不接地）圖3帶濾波的電阻檢測(cè)電路 圖4升壓電路輸入電感電流值檢測(cè)圖5電流放大器的箝位電路圖6具有輸入電壓補(bǔ)償?shù)碾娏鞣糯笃黧槲浑娐穲D7檢測(cè)正電壓的強(qiáng)制復(fù)位電路圖8檢測(cè)負(fù)電壓的強(qiáng)制復(fù)位電路

14、實(shí)際上在大功率電路中實(shí)用的是電流互感器檢測(cè)，如圖4所示。電流互感器檢測(cè)在保持良好波形的同時(shí)還具有較寬的帶寬，電流互感器還提供了電氣隔離，并且檢測(cè)電流小損耗也小，檢測(cè)電阻可選用稍大的值，如一二十歐的電阻。電流互感器將整個(gè)瞬態(tài)電流，包括直流分量耦合到副邊的檢測(cè)電阻上進(jìn)行測(cè)量，但同時(shí)也要求電流脈沖每次過(guò)零時(shí)磁芯能正常復(fù)位，尤其在平均電流模式控制中，電流互感器檢測(cè)更加適用，因?yàn)槠骄娏髂Ｊ娇刂浦斜粰z測(cè)的脈沖電流在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中都回零。為了使電流互感器完全地磁復(fù)位，就需要給磁芯提供大小相等方向相反的伏秒積。在多數(shù)控制電路拓?fù)渲?，電流過(guò)零時(shí)占空比接近100，所以電流過(guò)零時(shí)磁復(fù)位時(shí)間在開(kāi)關(guān)周期中只占很小的比

15、例。要在很短的時(shí)間內(nèi)復(fù)位磁芯，常需在電流互感器上加一個(gè)很大的反向偏壓，所以在設(shè)計(jì)電流互感器電路時(shí)應(yīng)使用高耐壓的二極管耦合在電流互感器副邊和檢測(cè)電阻之間。3防止電流檢測(cè)電路飽和的方法如果電流互感器的磁芯不能復(fù)位，將導(dǎo)致磁芯飽和。電流互感器飽和是一個(gè)很?chē)?yán)重的問(wèn)題，首先是不能正確測(cè)量電流值，從而不能進(jìn)行有效的電流控制；其次使電流誤差放大器總是“認(rèn)為”電流值小于設(shè)定值，這將使電流誤差放大器過(guò)補(bǔ)償，導(dǎo)致電流波形失真。電流互感器檢測(cè)最適合應(yīng)用在對(duì)稱(chēng)的電路，如推挽電路、全橋電路中。對(duì)于單端電路，特別是升壓電路，會(huì)產(chǎn)生一些我們必須關(guān)注的問(wèn)題。對(duì)于升壓電路，電感電流就是輸入電流，那么在電流連續(xù)工作方式時(shí)，不管充

16、電還是放電，電感電流總是大于零，即在直流值上疊加一個(gè)充放電的波形。因此電流互感器不能用于直接測(cè)量升壓電路的輸入電流，因?yàn)殡姼须娏鞑荒芑亓愣怪绷髦怠皝G失”了；并且電流互感器因不能磁復(fù)位而飽和，從而失去過(guò)流保護(hù)功能，輸出產(chǎn)生過(guò)壓等。在降壓電路中也存在同樣的問(wèn)題，電流互感器不能用于直接測(cè)量輸出電流。解決這個(gè)問(wèn)題的方法是用兩個(gè)電流互感器分別測(cè)量開(kāi)關(guān)電流和二極管電流，如圖4所示實(shí)際的電感電流是這兩個(gè)電流的合成，這樣每個(gè)電流互感器就有足夠的時(shí)間來(lái)復(fù)位了。但要注意這兩個(gè)電流互感器的匝比應(yīng)一樣，以保持檢測(cè)電阻RS上的電流對(duì)稱(chēng)。功率因數(shù)校正電路一般采用升壓電路，用雙互感器檢測(cè)，但在線(xiàn)電流過(guò)零時(shí)，電流互感器也特

17、別容易飽和。因?yàn)榇藭r(shí)的占空比約為100，從而容易造成磁芯沒(méi)有足夠的時(shí)間復(fù)位。為此可以在外電路中采取一些措施來(lái)防止電流互感器飽和。如采用電流放大器輸出箝位來(lái)限制其輸出電壓，并進(jìn)一步限制占空比小于100，電路如圖5所示。設(shè)定箝位電壓的過(guò)程很簡(jiǎn)單，在剛起動(dòng)時(shí)電流放大器箝位在一個(gè)相對(duì)較低的值（大約4V），系統(tǒng)開(kāi)始工作，但過(guò)零誤差很大；一旦系統(tǒng)正常工作后，箝位電壓將升高，電流互感器接近飽和，箝位電壓最多升到6.5V（低電壓大負(fù)載時(shí)）并且電流的THD在可接受的范圍內(nèi)（10 ） ， 以 限 制 最 大 占 空 比 。 設(shè) 定 的 箝 位 電 壓 不 能 太 低 ， 否 則 將 使 電 流 過(guò) 零 畸 變 大

18、 。 如果需要更好的特性或需要運(yùn)行在寬范圍，可以用圖6的電路，這個(gè)電路將根據(jù)線(xiàn)電壓反向調(diào)節(jié)箝位電壓。每個(gè)電流脈沖都使磁芯復(fù)位以克服磁芯飽和的方法，除了改進(jìn)外電路還可以改進(jìn)電流檢測(cè)電路。一般利用電流檢測(cè)電路自復(fù)位，即利用磁芯中存儲(chǔ)的能量和電流互感器的開(kāi)路阻抗在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生足夠的伏秒積來(lái)復(fù)位。但當(dāng)占空比大于50，特別是接近100時(shí)，可能沒(méi)有足夠的時(shí)間來(lái)使磁芯復(fù)位，這時(shí)除電流放大器輸出箝位外，還可以采用強(qiáng)制復(fù)位電路。強(qiáng)制磁芯復(fù)位的電路很多，如使用附加線(xiàn)圈或中心抽頭的線(xiàn)圈，但最簡(jiǎn)單的方法是采用圖7、圖8所示電路來(lái)強(qiáng)制磁芯復(fù)位。脈沖電流來(lái)時(shí)強(qiáng)制復(fù)位電路和自復(fù)位電路的工作沒(méi)有差別，當(dāng)復(fù)位時(shí)從VCC通過(guò)Rr

19、來(lái)的電流加入磁芯復(fù)位電流，寄生電容快速充電，副邊電壓反向，伏秒積增加，磁芯復(fù)位速度加快。如果需要得到負(fù)的檢測(cè)電壓而又不想用負(fù)電壓強(qiáng)制復(fù)位時(shí)則用圖8所示電路。對(duì)于電流檢測(cè)電路磁芯復(fù)位還要考慮的一個(gè)因素是副邊線(xiàn)圈的漏電感和分布電容。為了減小損耗，一般選擇匝比較大的電流互感器，但匝比大，副邊線(xiàn)圈的漏電感和分布電容大。漏電感影響電流上升和下降的時(shí)間，分布電容則影響電流互感器的帶寬。并且在磁芯復(fù)位時(shí)，副邊電感和分布電容諧振，如果分布電容大，則諧振頻率低，周期長(zhǎng)，那么在占空比大、磁芯復(fù)位時(shí)間短時(shí)，副邊線(xiàn)圈就沒(méi)有足夠的時(shí)間來(lái)釋放能量使磁芯復(fù)位了。所以應(yīng)盡量不選擇匝比太大的電流互感器。4電流互感器的下垂效應(yīng)電

20、流互感器副邊的脈沖電流要減去電流互感器繞組上的脈沖電壓在副邊產(chǎn)生的一個(gè)從零開(kāi)始隨時(shí)間線(xiàn)性增長(zhǎng)的磁化電流，才等于檢測(cè)電阻上的電流，該磁化電流的大小為：（1）式中：US副邊電壓LS副邊電感nNs/Npt電流波脈寬剛開(kāi)始時(shí)副邊電流是原邊電流的n倍，但隨時(shí)間增加，磁化電流加大，副邊電流下降得很厲害，這就是電流互感器的下垂效應(yīng)。所以為了得到較大的副邊檢測(cè)電壓不應(yīng)完全靠增加檢測(cè)電阻Rs的值來(lái)實(shí)現(xiàn)，也要靠減小副邊下垂效應(yīng)來(lái)增加副邊的脈沖電流，同時(shí)Rs的值大也將使磁芯復(fù)位困難。如式（1）所示，副邊電感值越大，下垂效應(yīng)越??；匝比越小，下垂效應(yīng)也越小，但最好不要靠減少副邊的匝數(shù)來(lái)減小匝比，因?yàn)檫@將使副邊的電感減小

21、了，應(yīng)在空間允許的情況下增加原邊匝數(shù)來(lái)減小匝比。5實(shí)驗(yàn)結(jié)果在功率因數(shù)校正電路中，使用如圖4所示的檢測(cè)電路，并采用如上所述防磁芯飽和及減小下垂效應(yīng)的措施，在電流互感器的變比為150，副邊電感為30mH,取副邊電壓為2V,電流波脈寬為5s時(shí),得：相對(duì)于十多安培的檢測(cè)電流，該電流下降效應(yīng)并不明顯。6結(jié)語(yǔ)電流檢測(cè)在電流控制中起著重要的作用，電流檢測(cè)分為電阻檢測(cè)和電流互感器檢測(cè)。為了減少損耗，常采用電流互感器檢測(cè)。在電流互感器檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)中，要充分考慮電路拓?fù)鋵?duì)檢測(cè)效果的影響，綜合考慮電流互感器的飽和問(wèn)題和副邊電流的下垂效應(yīng)，以選擇合適的磁芯復(fù)位電路、匝比和檢測(cè)電阻。高邊和低邊電流檢測(cè)技術(shù)分析當(dāng)代電子

22、系統(tǒng)中的電源管理可以通過(guò)高效的電源分配優(yōu)化系統(tǒng)效率。電流檢測(cè)是電源管理的關(guān)鍵技術(shù)之一，它不僅有助于保持理想的電壓等級(jí)，而且能通過(guò)提供伺服調(diào)整保持電子系統(tǒng)處于正常狀態(tài)，同時(shí)還能防止發(fā)生電路故障和電池過(guò)度放電。電流的檢測(cè)有兩種基本的方案。一種是測(cè)量電流流過(guò)的導(dǎo)體周?chē)拇艌?chǎng)，另一種是在電流路徑中插入一個(gè)小電阻，然后測(cè)量電阻上的壓降。第一種方法不會(huì)引起干擾或引入插損，但成本相對(duì)比較昂貴，而且容易產(chǎn)生非線(xiàn)性效應(yīng)和溫度系數(shù)誤差。因此磁場(chǎng)檢測(cè)方法通常局限于能夠承受與無(wú)插損相關(guān)的較高成本的應(yīng)用。本文主要討論半導(dǎo)體行業(yè)中已經(jīng)得到應(yīng)用的電阻檢測(cè)技術(shù)，它能為各種應(yīng)用提供精確且高性?xún)r(jià)比的直流電流測(cè)量結(jié)果。本文還介紹了

23、高邊和低邊檢測(cè)原理，并通過(guò)實(shí)際例子幫助設(shè)計(jì)師選擇適合自己應(yīng)用的最佳方法。電阻檢測(cè)在電流路徑中以串聯(lián)的方式插入一個(gè)低阻值的檢測(cè)電阻會(huì)形成一個(gè)小的電壓降，該壓降可被放大從而被當(dāng)作一個(gè)正比于電流的信號(hào)。然而，根據(jù)具體應(yīng)用環(huán)境和檢測(cè)電阻的位置，這種技術(shù)將對(duì)檢測(cè)放大器造成不同的挑戰(zhàn)。比如將檢測(cè)電阻放在負(fù)載和電路地之間，那么該電阻上形成的壓降可以用簡(jiǎn)單的運(yùn)放進(jìn)行放大(見(jiàn)圖1B)。這種方法被稱(chēng)為低邊電流檢測(cè)，與之相對(duì)應(yīng)的方法為高邊檢測(cè)，即檢測(cè)電阻放在電源和負(fù)載之間(見(jiàn)圖1A)。圖1：上面簡(jiǎn)化的框圖描述了一種基本的高邊檢測(cè)電路(圖1A)和一種基本的低邊檢測(cè)電路(圖1B)。檢測(cè)電阻值應(yīng)盡可能低，以保持功耗可控，

24、但也要足夠大，以便產(chǎn)生能被檢測(cè)放大器檢測(cè)到并在目標(biāo)精度內(nèi)的電壓。值得注意的是，在檢測(cè)電阻上得到的這種差分檢測(cè)信號(hào)寄生在一個(gè)共模電壓上，這個(gè)共模電壓對(duì)低邊檢測(cè)方法來(lái)說(shuō)接近地電平(0V)，但對(duì)高邊檢測(cè)方法來(lái)說(shuō)就接近電源電壓。這樣，測(cè)量放大器的輸入共模電壓范圍對(duì)低邊方案來(lái)說(shuō)應(yīng)包含地，對(duì)高邊方案來(lái)說(shuō)應(yīng)包含電源電壓。由于低邊檢測(cè)時(shí)的共模電壓接近地電平，因此電流檢測(cè)電壓可以用一個(gè)低成本、低電壓的運(yùn)放進(jìn)行放大。低邊電流檢測(cè)簡(jiǎn)單且成本低，但許多應(yīng)用不能容忍由于檢測(cè)電阻引入的地線(xiàn)干擾。較高的負(fù)載電流會(huì)使問(wèn)題更加嚴(yán)重，因?yàn)橄到y(tǒng)中地電平被低邊電流檢測(cè)偏移的某個(gè)模塊可能需要與地電位沒(méi)變的其他模塊進(jìn)行通信。為了更好地理

25、解這個(gè)問(wèn)題，可以看一下圖2中采用低邊電流檢測(cè)技術(shù)的“智能電池”充電器，其中AC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出連接到了“2線(xiàn)”智能電池。圖2：采用低邊電流檢測(cè)技術(shù)的“智能電池”。 這種電池通常采用單線(xiàn)來(lái)傳遞指示電池狀態(tài)的電池細(xì)節(jié)信息，還有一根線(xiàn)用于溫度測(cè)量，出于安全的原因，這根線(xiàn)與負(fù)極和正極端子是隔離的。為了檢測(cè)電池溫度，電池通常內(nèi)置一個(gè)熱敏電阻，由該電阻提供正比于電池負(fù)極電壓的輸出信號(hào)。當(dāng)采用低邊檢測(cè)方案時(shí)，可按照如圖2底部所示的方式插入檢測(cè)電阻。由電池電流產(chǎn)生的檢測(cè)電壓經(jīng)放大后饋入控制器，再由控制器做出一些必要的處理來(lái)調(diào)整功率流。由于檢測(cè)電壓隨電池電流而變，這樣就會(huì)改變電池負(fù)極的電壓，而溫度輸出是以負(fù)極

26、端子作為基準(zhǔn)信號(hào)因此就導(dǎo)致溫度輸出不精確。低邊檢測(cè)的另外一個(gè)主要缺點(diǎn)，體現(xiàn)在電池和地之間意外短路所導(dǎo)致的短路電流不能被檢測(cè)到。在圖2所示電路中，正極電源和地之間短路會(huì)產(chǎn)生足夠毀壞MOS開(kāi)關(guān)(S1)的大電流。然而，盡管有這樣的問(wèn)題，低邊檢測(cè)方案的簡(jiǎn)單和低成本使得它對(duì)那些短路保護(hù)不是必要的應(yīng)用來(lái)說(shuō)有很大的吸引力，因?yàn)樵谶@種應(yīng)用中地線(xiàn)干擾是可以容忍的。為什么要用高邊檢測(cè)？高邊電流檢測(cè)(圖1b)指的是將檢測(cè)電阻放在電源電壓和負(fù)載之間的高位。這種放置方式不僅消除了低邊檢測(cè)方案中產(chǎn)生的地線(xiàn)干擾，還能檢測(cè)到電池到系統(tǒng)地的意外短路。然而，高邊檢測(cè)要求檢測(cè)放大器處理接近電源電壓的共模電壓。這種共模電壓值范圍很寬

27、，從監(jiān)視處理器內(nèi)核電壓要求的電平(約1V)到在工業(yè)、汽車(chē)和電信應(yīng)用常見(jiàn)的數(shù)百伏電壓不等。應(yīng)用案例包括典型筆記本電腦的電池電壓(17到20V)，汽車(chē)應(yīng)用中的12V、24V或48V電池，48V電信應(yīng)用，高壓電機(jī)控制應(yīng)用，用于雪崩二極管和PIN二極管的電流檢測(cè)以及高壓LED背光燈等。因此，高邊電流檢測(cè)的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)，那就是檢測(cè)放大器具備處理較大共模電壓的能力。傳統(tǒng)高邊電流檢測(cè)放大器對(duì)于工作在5V的典型低壓應(yīng)用來(lái)說(shuō)，高邊檢測(cè)放大器可采用簡(jiǎn)單的儀表放大器(IA)。然而，不同的IA架構(gòu)有著不同的限制，如有限的輸入共模電壓范圍。另外，IA也比較昂貴，而且在較高共模電壓時(shí)，低壓IA根本無(wú)法工作。因此設(shè)計(jì)高壓高

28、邊電流檢測(cè)所需的放大器是一個(gè)艱巨的挑戰(zhàn)。解決這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)直截了當(dāng)?shù)姆椒ǎ褪鞘褂煤?jiǎn)單的電阻分壓器來(lái)降低高邊共模電壓，讓這個(gè)共模電壓落在檢測(cè)運(yùn)放的輸入共模范圍內(nèi)。然而，這種方法不僅體積大，成本高，而且像下文說(shuō)明的那樣還可能無(wú)法提供精確的結(jié)果。讓我們考慮這樣一個(gè)例子：在檢測(cè)電阻上產(chǎn)生100mV檢測(cè)電壓，該電壓寄生在10V的共模電壓上。對(duì)應(yīng)100mV滿(mǎn)幅檢測(cè)電壓的理想輸出是2.5V，最差精度指標(biāo)是1%。采用圖3所示的簡(jiǎn)單電阻分壓器可將10V共模電壓減小10倍。圖3：實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)高邊電流檢測(cè)的電路。配置為差分放大器的運(yùn)放A1能很輕松地處理1V共模電壓。但Vsense(100mV)同樣也被縮小了10倍，因

29、此在差分放大器A1的輸入端檢測(cè)電壓只有10mV。為了提供要求的2.5V滿(mǎn)刻度電平，還必須引入第二個(gè)放大器A2，并設(shè)置為250倍的增益。值得注意的是，A1的輸入偏移電壓無(wú)衰減地出現(xiàn)在其輸出端，同時(shí)出現(xiàn)在A2輸入端，然后被放大250倍。由于這些偏移電壓是不相關(guān)的，它們?cè)贏2輸入端可能整合為一個(gè)平方根和(RSS)，并形成等效偏移電壓。假設(shè)兩個(gè)運(yùn)放都有1mV的輸入偏移電壓，那么等效偏移電壓為：其中VOS_A1和VOS_A2分別是A1和A2的輸入偏移電壓。因此由上述公式可以得出A2輸出端僅由輸入偏移電壓所引起的誤差電壓為：250(1.4mV) = 350mV 這樣，運(yùn)放偏移電壓造成了14%的系統(tǒng)誤差。電

30、阻比失配對(duì)CMRR的影響第二個(gè)主要的誤差源，是來(lái)自與放大器A1的電阻臂相關(guān)的公差。A1的CMRR很大程度上取決于電阻增益設(shè)置臂R2/R1和R4/R3之比值。兩個(gè)臂中電阻比值即使差1%，也會(huì)產(chǎn)生90V/V的輸出共模增益。使用1%公差的電阻時(shí)，電阻臂比值最大變化為2%，相當(dāng)于最壞情況下3.6mV/V的共模電壓誤差。這樣，10V的輸入共模電壓變化將在A1輸出端產(chǎn)生高達(dá)36mV的誤差(電阻臂變化1%時(shí)的誤差為0.9mV)。36mV的誤差顯然是不能接受的，因?yàn)樗鼘?dǎo)致增益為250的A2出現(xiàn)飽和！即使電阻臂比值變化1%也會(huì)產(chǎn)生放大的誤差電壓0.9mVx250=225mV?？傉`差總誤差等于A1輸入偏移電壓、

31、A2輸入偏移電壓、以及由電阻精度引起的誤差電壓的RSS總和。如上所述，電阻%1的精度變化加上10V的共模電壓變化本身就會(huì)產(chǎn)生最大36mV的誤差，并使A2飽和。假設(shè)電阻臂R2/R1和R4/R3之間的比值只變化1%，輸出誤差也將高達(dá)0.9mV。因此總的RSS輸入誤差電壓為：其中VOS_A1和VOS_A2分別是A1和A2的輸入偏移電壓，VOS_MISMATCH是由于電阻臂比值1%的變化引起的輸入誤差電壓：即使我們忽略溫度變化，由于放大器A1和A2的偏移電壓以及電阻臂比值1%的失配引起的總誤差也可能高達(dá)1.67mVx250=417.5mV，是滿(mǎn)刻度輸出的16.7%。換句話(huà)說(shuō)，417.5mV誤差電壓看上

32、去像是417.5mV/25 = 16.7mV的輸入偏移誤差，這顯然是不可接受的?？傉`差可以通過(guò)使用更高精度的電阻(0.1%)、或具有更好偏移電壓規(guī)格的放大器來(lái)縮小。但這些措施將進(jìn)一步增加本來(lái)就已經(jīng)包含了眾多元件的系統(tǒng)的成本。另外，即使沒(méi)有負(fù)載，電阻分壓器R4/R3和R2/R1也提供了電源電流到地的流通路徑。這種到地的低共模阻抗在電池供電設(shè)備中很關(guān)鍵，因?yàn)殡娮杪窂街械穆╇姇?huì)迅速泄漏電池能量。專(zhuān)用高邊電流檢測(cè)放大器綜上所述，理想的器件不僅要能檢測(cè)較高共模電壓上的電壓，而且要具有非常好的CMRR和低輸入偏移電壓。圖4中基本的高邊電流檢測(cè)放大器(CSA)已經(jīng)能以IC的形式買(mǎi)到，并采用小型封裝以最小化電

33、路板尺寸。生產(chǎn)這種IC時(shí)使用的高壓制造工藝允許它們即使是在低至2.8V電源電壓下工作也能處理高達(dá)80V以上的共模電壓。圖4：包含這些基本元件的集成高邊電流檢測(cè)放大器。(負(fù)載、電流鏡像、緩沖器) 電流流經(jīng)圖4中的檢測(cè)電阻會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很小的差分電壓，該電壓必定通過(guò)增益電阻RG1。而(正比于檢測(cè)電壓的)這個(gè)電流被鏡像和處理后提供以地為參考的輸出電流，從而完成從高邊的理想電平偏移。這個(gè)電流輸出可以通過(guò)流經(jīng)一個(gè)電阻或電壓緩沖器而轉(zhuǎn)換為電壓。美信公司的這個(gè)高邊CSA具有以下一些特性：該芯片有非常高的共模輸入阻抗，最小的輸入偏移電壓，低于1%的精度指標(biāo)和典型100dB的CMRR。這些特性為傳統(tǒng)高邊CSA中常見(jiàn)

34、的問(wèn)題提供了高性?xún)r(jià)比的解決方案。其小型封裝(2.2mmx2.4mm SC70，3mmx3mm SOT，1mmx1.5mm USCP等)使電路板尺寸得以保持最小。這些高邊放大器可以適合眾多應(yīng)用中的低成本電流檢測(cè)使用，每一種放大器都針對(duì)特定應(yīng)用作了優(yōu)化。例如，MAX4372、MAX9928/29和MAX9938適合電池供電的設(shè)備，而MAX9937和MAX4080非常適合工業(yè)系統(tǒng)，MAX4069和MAX9923則是需要超低偏移電流應(yīng)用的最好選擇。由于不使用低邊電流檢測(cè)方案，所有這些IC有效地避免了地彈電壓和短路檢測(cè)功能缺失的問(wèn)題。車(chē)載應(yīng)用中的電流檢測(cè)作者：Jerry Steele，德州儀器 (TI)

35、 戰(zhàn)略開(kāi)發(fā)工程師 要求電流檢測(cè)的車(chē)載應(yīng)用車(chē)載應(yīng)用中的電流檢測(cè)包括控制通過(guò)螺線(xiàn)管和噴射器的電流。例如，在柴油噴射時(shí)，我們用 48V 或更高的電壓迅速地將感應(yīng)噴射器的電流提高到 20 安培。一旦達(dá)到 20A，電流檢測(cè)電路就會(huì)向控制電路提供反饋信號(hào)，以保持噴射器電流為 20A 不變。電流檢測(cè)通常可增強(qiáng)重要的性能或特性。電動(dòng)車(chē)窗系統(tǒng)是展示電流檢測(cè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)的一個(gè)很好的例子。由于馬達(dá)扭矩與電流成正比，因此馬達(dá)在扭矩過(guò)大的情況下就會(huì)停止工作，比方說(shuō)人的胳膊卡在電動(dòng)車(chē)窗上，或者機(jī)械系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，馬達(dá)都會(huì)停止工作。電流檢測(cè)的方法負(fù)載或電源的低壓側(cè)或高壓側(cè)都可進(jìn)行電流檢測(cè)。共模電壓是指分路 (shunt) 上的

36、電壓（不是分路上的差分電壓），在低壓側(cè)檢測(cè)為零伏。低壓側(cè)檢測(cè)最簡(jiǎn)單，可采用最基本的放大器電路。低壓側(cè)檢測(cè)的難點(diǎn)在于：低壓側(cè)檢測(cè)會(huì)影響系統(tǒng)的接地端，可能還需要增加更多的線(xiàn)路，而且這種作法通常不利于故障診斷。圖 1 中的高壓側(cè)分路放大器可檢測(cè)很高的電源電壓上極低的差分電壓(通常為 100mV 或更低)，通常在車(chē)載應(yīng)用中為 13.8V。不過(guò)，如果為無(wú)限制的 (unconditioned) 電池線(xiàn)路，那么會(huì)受瞬變影響：如果無(wú)意中將電池方向放錯(cuò)就會(huì)出現(xiàn) 13.5V 的情況，如果出現(xiàn)負(fù)載突降或感應(yīng)反沖，那么最大瞬變可達(dá) 72V。不妨設(shè)想，放大器通常采用 512V 的單電源供電（5V 的電源供電日益常見(jiàn)），

37、這就需要放大器的輸入引腳連接到共模電位，大大超過(guò)了放大器電源軌的限制。圖 1 在高壓側(cè)電流檢測(cè)中，共模電壓是主要問(wèn)題老式分路檢測(cè)電路基于差動(dòng)放大器，即周?chē)鷰膫€(gè)電阻來(lái)設(shè)置增益并提供差動(dòng)輸入的運(yùn)算放大器 (operation amplifier)。這些電阻使運(yùn)算放大器能接受超過(guò)其電源軌的共模電壓。不過(guò)，這也會(huì)帶來(lái)下面一些負(fù)面問(wèn)題：一是電路必須配置為衰減器，在隨后的運(yùn)算放大器級(jí)中恢復(fù)增益，如圖 2A 中的 IC 結(jié)構(gòu)圖所示，運(yùn)算放大器的增益會(huì)成倍增大第一個(gè)放大器的偏置和漂移量，從而降低整體性能。二是采用高共模電壓差動(dòng)放大器要增加電阻網(wǎng)絡(luò)，以使之在仍然只提供單位增益的同時(shí)能夠接受較高的共模電壓。高共

38、模差動(dòng)放大器帶來(lái)的影響在于：運(yùn)算放大器的噪聲增益與共模衰減成正比，如圖 2B 所示的差動(dòng)放大器結(jié)構(gòu)采用了 20:1 的內(nèi)部共模衰減，此舉使放大器的偏置、漂移和噪聲都比運(yùn)算放大器本身擴(kuò)大了 20 倍。此外，較大的輸入電阻也會(huì)造成較高的噪聲。圖 2 可用于車(chē)載電流檢測(cè)的電阻型高共模電壓差動(dòng)放大器電流分路監(jiān)控器是專(zhuān)門(mén)用于分路電流檢測(cè)的高共模電壓差動(dòng)放大器，能夠解決電阻型差動(dòng)放大器的局限性。電流分路監(jiān)控器與差動(dòng)放大器相比的主要區(qū)別在于：其共模電壓功能通常只擴(kuò)展到正電壓，而一些電流分路監(jiān)控器允許共模接地。這會(huì)造成更多的衍生情況，我們隨后還要談到。共模電壓功能也允許擴(kuò)展到負(fù)電壓。電流分路監(jiān)控器從一開(kāi)始設(shè)計(jì)時(shí)就是以單電源電壓工作的，通常最低電壓可達(dá) 2.7V。圖 3 顯示了兩類(lèi)電流分路