高端電流檢測(cè)電路及原理
[導(dǎo)讀]高端/低端檢流電路
低端檢流電路的檢流電阻串聯(lián)到地(圖1），而高端檢流電路的檢流電阻是串聯(lián)到高電壓端(圖2）。兩種方法各有特點(diǎn)：低端檢流方式在地線回路中增加了額外的電阻，高端檢流方式則要處理較大的共模信
高端/低端檢流電路
低端檢流電路的檢流電阻串聯(lián)到地(圖1），而高端檢流電路的檢流電阻是串聯(lián)到高電壓端(圖2）。兩種方法各有特點(diǎn)：低端檢流方式在地線回路中增加了額外的電阻，高端檢流方式則要處理較大的共模信號(hào)。
圖1 所示的低端檢流運(yùn)放以地電平作為參考電平，檢流電阻接在正相端。 運(yùn)放的輸入信號(hào)中的共模信號(hào)范圍為：(GNDRSENSE*ILOAD）。盡管低端檢流電路比較簡(jiǎn)單，但有幾種故障狀態(tài)是低端檢流電路檢測(cè)不到的，這會(huì)使負(fù)載處于危險(xiǎn)的情況，利用高端檢流電路則可解決這些問(wèn)題。
高端檢流電路直接連到電源端，能夠檢測(cè)到后續(xù)回路的任何故障并采取相應(yīng)的保護(hù)措施，特別適合于自動(dòng)控制應(yīng)用領(lǐng)域，因?yàn)樵谶@些應(yīng)用電路中通常采用機(jī)殼作為參考地。
傳統(tǒng)高端檢流電路
傳統(tǒng)的高端/低端檢流方式有多種實(shí)現(xiàn)方案，絕大多數(shù)基于分立或半分立元件電路。高端檢流電路通常需要用一個(gè)精密運(yùn)放和一些精密電阻電容，最常用的高端檢流電路采用差分運(yùn)放做增益放大并將信號(hào)電平從高端移位到參考地(圖3）：
VO=IRS*RS；R1=R2=R3=R4
該方案已廣泛應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)中，但該電路存在三個(gè)主要缺點(diǎn)：
1）輸入電阻相對(duì)較低，等于R1；
2）輸入端的輸入電阻一般有較大的誤差值；
3）要求電阻的匹配度要高，以保證可接受的CMRR。任何一個(gè)電阻產(chǎn)生1%變化就會(huì)使CMRR 降低到46dB；0.1%的變化使CMRR 達(dá)到66dB，0.01%的變化使CMRR 達(dá)到86dB。高端電流檢測(cè)需要較高的測(cè)量技巧，這促進(jìn)了高端檢流集成電路的發(fā)展。而低端電流檢測(cè)技術(shù)似乎并沒(méi)有相應(yīng)的進(jìn)展。
采用集成差分運(yùn)放實(shí)現(xiàn)高端電流檢測(cè)
采用差分運(yùn)放進(jìn)行高端電流檢測(cè)的電路更便于使用，因?yàn)榻谕瞥隽嗽S多種集成電路解決方案。集成電路內(nèi)部包括一個(gè)精密運(yùn)放和匹配度很好的電阻，CMRR 高達(dá)105dB 左右。MAX4198/99 就是這樣的產(chǎn)品，它的CMRR 為110dB，增益誤差優(yōu)于0.01%，而且采用小體積的8 引腳mMAX 封裝。
專(zhuān)用高端檢流電路內(nèi)部包含了完成高端電流檢測(cè)的所有功能單元，可在高達(dá)32V 的共模電壓下檢測(cè)高端電流，并提供與之成比例的、以地電平為參考點(diǎn)的電流輸出。需要對(duì)電流做精確測(cè)量和控制的應(yīng)用，如電源管理和電池充電控制，都適合采用這種方案。
MAXIM 的高端檢流運(yùn)放中所使用的檢流電阻放置在電源的高端和被檢測(cè)電路的電源輸入端之間，檢流電阻放在高端不給地線回路增加額外阻抗，這項(xiàng)技術(shù)提高了整個(gè)電路的性能并簡(jiǎn)化了布版要求。
MAXIM 推出了一系列雙向或單向電流檢測(cè)IC，有些雙向電流檢測(cè)IC 內(nèi)置檢流電阻，可檢測(cè)流入或流出被檢電路的電流大小并通過(guò)一個(gè)極性指示引腳顯示電流方向。增益可調(diào)的電流檢測(cè)IC、固定增益（+20V/V，+50V/V，或+100V/V）電流檢測(cè)芯片或包括單雙比較器的固定增益電流檢測(cè)IC，都采用小體積封裝，如SOT23，可滿(mǎn)足對(duì)尺寸要求苛刻的應(yīng)用。圖4 是用MAX4173 構(gòu)成的高端電流檢測(cè)電路。
圖中輸出電壓與檢流電阻的關(guān)系式為：
Vo=RGD*(Iload*Rsense)/RG1)*b 式中b 為鏡像電流系數(shù)
上式可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為: Vo=Gain*Rsense*Iload;Gain= b*RGD/RG1
Gain 分別為：20(MAX4173T)，50(MAX4173F)，100(MAX4173H).
通過(guò)以上計(jì)算公式可看出，CMRR 由內(nèi)部集成檢流電路的工藝決定(典型值>90dB），不再受外部電阻的影響。
采用集成檢流電路有以下優(yōu)點(diǎn)：
1、器件的一致性好
2、極好的溫漂特性
3、體積小
4、低功耗
5、使用方便
選擇檢流電阻的注意事項(xiàng)
檢流電阻RSENSE 應(yīng)根據(jù)以下幾條原則進(jìn)行選擇：
1、電壓損耗：檢流電阻阻值過(guò)大會(huì)引起電源電壓以IR 的數(shù)值降低。為了減少電壓損耗，應(yīng)選用小阻值的檢流電阻。
2、精度：較大的檢流電阻可以獲得更高的小電流的測(cè)量精度。這是因?yàn)闄z流電阻上的電壓越大，運(yùn)放的失調(diào)電壓和輸入偏置電流的影響就相對(duì)越小。
3、效率和功耗：當(dāng)電流較大時(shí)，RSENSE 上的功耗I2R 就不能忽略。在考慮檢流電阻和功耗時(shí)，需要注意這一點(diǎn)。如果允許檢流電阻發(fā)熱，則電阻阻值可大一些。
4、電感：如果ISENSE 包含大量高頻成分，則檢流電阻的電感量要很小。線繞電阻的電感最大，金屬膜電阻比較好。
5、成本：如果合適的檢流電阻的價(jià)格太高，則可采用另一種替代方案(圖5）。它采用電路板的印制線作為檢流電阻。由于印制板銅線“電阻”并不精確，電路里需要一個(gè)電位器調(diào)節(jié)滿(mǎn)量程電流值。另外，銅線的溫漂較大(大約為0.4%/℃），在寬溫度范圍下工作的系統(tǒng)需要考慮這一點(diǎn)。
可調(diào)節(jié)的線性電流源
可調(diào)節(jié)線性電流源(圖6)是利用高端電流檢測(cè)器構(gòu)成的一個(gè)典型應(yīng)用電，IC1 將R1 電流轉(zhuǎn)換成相應(yīng)比例的電壓信號(hào)，控制穩(wěn)壓芯片IC2 產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的輸出電流，D/A 轉(zhuǎn)換器可以提供IOUT 的數(shù)字控制。要達(dá)到12 BIT 精度(60mA 每LSB)的要求，可使用并行接口的MAX530 或串行接口的MAX531。10 BIT 精度(250mA 每LSB)，則可使用并行接口的MAX503 或串行接口的MAX504。
低端檢流電路的檢流電阻串聯(lián)到地(圖1），而高端檢流電路的檢流電阻是串聯(lián)到高電壓端(圖2）。兩種方法各有特點(diǎn)：低端檢流方式在地線回路中增加了額外的電阻，高端檢流方式則要處理較大的共模信號(hào)。
圖1 所示的低端檢流運(yùn)放以地電平作為參考電平，檢流電阻接在正相端。 運(yùn)放的輸入信號(hào)中的共模信號(hào)范圍為：(GNDRSENSE*ILOAD）。盡管低端檢流電路比較簡(jiǎn)單，但有幾種故障狀態(tài)是低端檢流電路檢測(cè)不到的，這會(huì)使負(fù)載處于危險(xiǎn)的情況，利用高端檢流電路則可解決這些問(wèn)題。
高端檢流電路直接連到電源端，能夠檢測(cè)到后續(xù)回路的任何故障并采取相應(yīng)的保護(hù)措施，特別適合于自動(dòng)控制應(yīng)用領(lǐng)域，因?yàn)樵谶@些應(yīng)用電路中通常采用機(jī)殼作為參考地。
傳統(tǒng)高端檢流電路
傳統(tǒng)的高端/低端檢流方式有多種實(shí)現(xiàn)方案，絕大多數(shù)基于分立或半分立元件電路。高端檢流電路通常需要用一個(gè)精密運(yùn)放和一些精密電阻電容，最常用的高端檢流電路采用差分運(yùn)放做增益放大并將信號(hào)電平從高端移位到參考地(圖3）：
VO=IRS*RS；R1=R2=R3=R4
該方案已廣泛應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)中，但該電路存在三個(gè)主要缺點(diǎn)：
1）輸入電阻相對(duì)較低，等于R1；
2）輸入端的輸入電阻一般有較大的誤差值；
3）要求電阻的匹配度要高，以保證可接受的CMRR。任何一個(gè)電阻產(chǎn)生1%變化就會(huì)使CMRR 降低到46dB；0.1%的變化使CMRR 達(dá)到66dB，0.01%的變化使CMRR 達(dá)到86dB。高端電流檢測(cè)需要較高的測(cè)量技巧，這促進(jìn)了高端檢流集成電路的發(fā)展。而低端電流檢測(cè)技術(shù)似乎并沒(méi)有相應(yīng)的進(jìn)展。
采用集成差分運(yùn)放實(shí)現(xiàn)高端電流檢測(cè)
采用差分運(yùn)放進(jìn)行高端電流檢測(cè)的電路更便于使用，因?yàn)榻谕瞥隽嗽S多種集成電路解決方案。集成電路內(nèi)部包括一個(gè)精密運(yùn)放和匹配度很好的電阻，CMRR 高達(dá)105dB 左右。MAX4198/99 就是這樣的產(chǎn)品，它的CMRR 為110dB，增益誤差優(yōu)于0.01%，而且采用小體積的8 引腳mMAX 封裝。
專(zhuān)用高端檢流電路內(nèi)部包含了完成高端電流檢測(cè)的所有功能單元，可在高達(dá)32V 的共模電壓下檢測(cè)高端電流，并提供與之成比例的、以地電平為參考點(diǎn)的電流輸出。需要對(duì)電流做精確測(cè)量和控制的應(yīng)用，如電源管理和電池充電控制，都適合采用這種方案。
MAXIM 的高端檢流運(yùn)放中所使用的檢流電阻放置在電源的高端和被檢測(cè)電路的電源輸入端之間，檢流電阻放在高端不給地線回路增加額外阻抗，這項(xiàng)技術(shù)提高了整個(gè)電路的性能并簡(jiǎn)化了布版要求。
MAXIM 推出了一系列雙向或單向電流檢測(cè)IC，有些雙向電流檢測(cè)IC 內(nèi)置檢流電阻，可檢測(cè)流入或流出被檢電路的電流大小并通過(guò)一個(gè)極性指示引腳顯示電流方向。增益可調(diào)的電流檢測(cè)IC、固定增益（+20V/V，+50V/V，或+100V/V）電流檢測(cè)芯片或包括單雙比較器的固定增益電流檢測(cè)IC，都采用小體積封裝，如SOT23，可滿(mǎn)足對(duì)尺寸要求苛刻的應(yīng)用。圖4 是用MAX4173 構(gòu)成的高端電流檢測(cè)電路。
圖中輸出電壓與檢流電阻的關(guān)系式為：
Vo=RGD*(Iload*Rsense)/RG1)*b 式中b 為鏡像電流系數(shù)
上式可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為: Vo=Gain*Rsense*Iload;Gain= b*RGD/RG1
Gain 分別為：20(MAX4173T)，50(MAX4173F)，100(MAX4173H).
通過(guò)以上計(jì)算公式可看出，CMRR 由內(nèi)部集成檢流電路的工藝決定(典型值>90dB），不再受外部電阻的影響。
采用集成檢流電路有以下優(yōu)點(diǎn)：
1、器件的一致性好
2、極好的溫漂特性
3、體積小
4、低功耗
5、使用方便
選擇檢流電阻的注意事項(xiàng)
檢流電阻RSENSE 應(yīng)根據(jù)以下幾條原則進(jìn)行選擇：
1、電壓損耗：檢流電阻阻值過(guò)大會(huì)引起電源電壓以IR 的數(shù)值降低。為了減少電壓損耗，應(yīng)選用小阻值的檢流電阻。
2、精度：較大的檢流電阻可以獲得更高的小電流的測(cè)量精度。這是因?yàn)闄z流電阻上的電壓越大，運(yùn)放的失調(diào)電壓和輸入偏置電流的影響就相對(duì)越小。
3、效率和功耗：當(dāng)電流較大時(shí)，RSENSE 上的功耗I2R 就不能忽略。在考慮檢流電阻和功耗時(shí)，需要注意這一點(diǎn)。如果允許檢流電阻發(fā)熱，則電阻阻值可大一些。
4、電感：如果ISENSE 包含大量高頻成分，則檢流電阻的電感量要很小。線繞電阻的電感最大，金屬膜電阻比較好。
5、成本：如果合適的檢流電阻的價(jià)格太高，則可采用另一種替代方案(圖5）。它采用電路板的印制線作為檢流電阻。由于印制板銅線“電阻”并不精確，電路里需要一個(gè)電位器調(diào)節(jié)滿(mǎn)量程電流值。另外，銅線的溫漂較大(大約為0.4%/℃），在寬溫度范圍下工作的系統(tǒng)需要考慮這一點(diǎn)。
可調(diào)節(jié)的線性電流源
可調(diào)節(jié)線性電流源(圖6)是利用高端電流檢測(cè)器構(gòu)成的一個(gè)典型應(yīng)用電，IC1 將R1 電流轉(zhuǎn)換成相應(yīng)比例的電壓信號(hào)，控制穩(wěn)壓芯片IC2 產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的輸出電流，D/A 轉(zhuǎn)換器可以提供IOUT 的數(shù)字控制。要達(dá)到12 BIT 精度(60mA 每LSB)的要求，可使用并行接口的MAX530 或串行接口的MAX531。10 BIT 精度(250mA 每LSB)，則可使用并行接口的MAX503 或串行接口的MAX504。
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