高邊和低邊電流檢測(cè)技術(shù)分析

目前，電子系統(tǒng)的電源管理芯片通過(guò)有效的功率分配優(yōu)化系統(tǒng)效率。這種管理方式的關(guān)鍵是電流檢測(cè)，它不僅能幫助系統(tǒng)維持所需要的功率電平，還可通過(guò)伺服調(diào)整來(lái)維護(hù)電子系統(tǒng)的正常運(yùn)行，防止電路失效和電池過(guò)放電。

電流檢測(cè)有兩個(gè)基本方法，可以測(cè)量載流導(dǎo)體的磁場(chǎng)，也可以在電流回路插入一個(gè)小電阻并測(cè)量其兩端壓降。第一種方法沒(méi)有強(qiáng)行插入元件或引入插入損耗，但價(jià)格相對(duì)昂貴，而且容易導(dǎo)致非線性和溫度系數(shù)誤差。因此，磁場(chǎng)檢測(cè)雖然避免了插入損耗，但由于其高成本，在具體應(yīng)用中受到很大限制。

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)用提供精確且高性價(jià)比的直流電流測(cè)量結(jié)果。本文還介紹了高邊和低邊檢測(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。

電阻測(cè)量

在電流回路插入一個(gè)小阻值的檢測(cè)電阻可以產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的壓降，經(jīng)過(guò)放大后形成與電流成比例的輸出信號(hào)。根據(jù)應(yīng)用環(huán)境和檢測(cè)電阻的放置位置不同，該檢測(cè)技術(shù)為檢測(cè)放大器設(shè)計(jì)帶來(lái)了各種挑戰(zhàn)。

圖1(a)高邊電流檢測(cè)

圖1(b) 低邊電流檢測(cè)簡(jiǎn)化框圖

如果檢測(cè)電阻放置在負(fù)載和電路地之間，其所產(chǎn)生的壓降可以通過(guò)簡(jiǎn)單的運(yùn)放進(jìn)行放大(見(jiàn)圖1(b))，這種方法稱為低邊電流檢測(cè)。它不同于電源、負(fù)載之間放置檢測(cè)電阻的高邊檢流(見(jiàn)圖1(a))。

檢流電阻的阻值越小功耗越低，但要保證產(chǎn)生檢測(cè)放大器可以檢測(cè)的電壓，提供足夠高的精度。注意，檢流電阻兩端的差分信號(hào)疊加在一個(gè)共模電壓上，對(duì)于低邊檢測(cè)來(lái)說(shuō)接近于地電位(0V)，而對(duì)高邊檢測(cè)則接近于電源電壓。因此，對(duì)于低邊檢流，測(cè)量放大器的共模輸入范圍必須包括地電位;對(duì)于高邊檢流，放大器的共模范圍必須包括電源電壓。

圖2 充電器采用了低邊電流檢測(cè)

因?yàn)榈瓦厵z流的共模電壓接近地電位，檢流電壓可以利用一個(gè)低成本、低電壓運(yùn)放進(jìn)行放大。低邊電流檢測(cè)方案簡(jiǎn)單而且便宜，但很多應(yīng)用無(wú)法接受檢流電阻引入的地線干擾。負(fù)載電流較大時(shí)更會(huì)加劇這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)橄到y(tǒng)中一部分電路的地電位由于低邊檢流電阻而產(chǎn)生偏移，而這部分電路可能與另一部分地電位沒(méi)有改變的電路相互聯(lián)系。

為了更好地理解這一問(wèn)題，設(shè)想采用低邊電流檢測(cè)的“智能電池”充電器(見(jiàn)圖2)，AC/DC轉(zhuǎn)換器輸出連接到2線智能電池。這種電池通常通過(guò)一條線傳輸電池的具體信息，表示電池的“健康”狀況，而利用另一條連線測(cè)量溫度。檢測(cè)電池溫度時(shí)，通常在電池包內(nèi)采用一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，提供一個(gè)以電池負(fù)極為參考的比例輸出信號(hào)。

如圖2所示，插入的檢流電阻進(jìn)行低邊檢測(cè)。由電池電流產(chǎn)生的檢測(cè)電壓經(jīng)過(guò)放大并反饋到控制器，提供必要的功率調(diào)節(jié)。由于檢測(cè)電壓隨電池電流變化，因此改變了電池負(fù)極的電壓，造成溫度輸出的不準(zhǔn)確。

低邊檢測(cè)的另一個(gè)主要缺點(diǎn)是：無(wú)法檢測(cè)電池與地意外短路時(shí)的短路電流。圖2中，電源正極與地短路時(shí)將造成極大的電流，足以損壞MOSFET開(kāi)關(guān)(S1)。盡管存在這些缺陷，由于電路簡(jiǎn)單、成本較低，對(duì)于那些不需要短路保護(hù)的應(yīng)用，并且可以忍受地線干擾時(shí)，低邊檢測(cè)不失為一個(gè)極具吸引力的方案。

為什么選擇高邊檢測(cè)

高邊電流檢測(cè)(見(jiàn)圖1(b))將檢測(cè)電阻放置在高側(cè) —— 電源與負(fù)載之間，不僅消除了低邊檢測(cè)中出現(xiàn)的地線干擾，而且能夠檢測(cè)電池與系統(tǒng)地的短路故障。

然而，高邊檢測(cè)要求檢流放大器能夠處理接近電源電壓的共模電壓，這個(gè)共模電壓根據(jù)具體應(yīng)用而變化：監(jiān)測(cè)處理器核電壓時(shí)大約為1V，在工業(yè)、汽車和電信應(yīng)用中可能達(dá)到數(shù)百伏。例如，筆記本電腦的典型電池電壓為17～20V，汽車應(yīng)用中電池電壓為12V、24V或48V，電信應(yīng)用中電壓通常為48V。此外，高邊電流檢測(cè)還可能用在更高電壓應(yīng)用中，如高壓電機(jī)控制、雪崩光電二極管(APD)、PIN二極管以及高壓背光LED。因此，高邊檢流放大器需要解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是處理高共模電壓的能力。

傳統(tǒng)的高邊檢流放大器

在典型的5V供電低壓應(yīng)用中，高邊檢流放大器可以用簡(jiǎn)單的儀表放大器(IA)實(shí)現(xiàn)。但I(xiàn)A架構(gòu)有一定的局限性，例如：限制輸入共模范圍。另外，IA的價(jià)格相對(duì)較高，而且當(dāng)共模電壓較高時(shí)，低壓IA無(wú)法滿足工作要求。由此可見(jiàn)，高壓是高邊檢流放大器所面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

圖3 傳統(tǒng)的高邊檢流放大器

解決這個(gè)問(wèn)題的直接方案是利用電阻分壓器按一定比例降低高邊共模電壓，使其處于檢流放大器的輸入共模范圍內(nèi)。然而，這種方式增大了電路板尺寸并提高了設(shè)計(jì)成本，而且無(wú)法獲得精確的測(cè)量結(jié)果，以下給出了具體解釋。

例如，如果檢流電阻兩端產(chǎn)生100mV的檢測(cè)電壓，其共模電壓為10V。對(duì)應(yīng)于100mV的滿量程輸出電壓為2.5V，要求精度在1%以內(nèi)。如果我們簡(jiǎn)單地通過(guò)分壓電阻將10V共模電壓縮小10倍，如圖3所示。運(yùn)放A1配置成差分放大器，很容易處理1V共模電壓。而VSENSE(100mV)將按同樣比例降低檢測(cè)電壓，提供給差分運(yùn)放輸入的檢測(cè)電壓只有10mV。為了達(dá)到2.5V滿量程，必須引入額外的放大器A2，增益設(shè)置為250。

注意，A1的輸入失調(diào)電壓毫無(wú)衰減地出現(xiàn)在輸出端，并送入增益為250倍的放大器A2的輸入端。因?yàn)檫@些失調(diào)電壓與檢測(cè)信號(hào)無(wú)關(guān)，將疊加到A2輸入的均方根值(RSS)內(nèi)，產(chǎn)生等效失調(diào)電壓。假設(shè)兩個(gè)運(yùn)放都有1mV的輸入失調(diào)，等效失調(diào)為

(VOS-EQ)^2=(VOS_A1)^2+(VOS_A2)^2

其中，VOS_A1和VOS_A2是A1和A2的輸入失調(diào)電壓。

因此，以上架構(gòu)在A2輸出端產(chǎn)生的誤差電壓為250×1.4mV=350mV，這只是輸入失調(diào)的影響。運(yùn)放的失調(diào)電壓將造成14%的系統(tǒng)誤差。

電阻不匹配對(duì)CMRR的影響

第二個(gè)主要的誤差源源于運(yùn)放A1的電阻臂公差。A1的CMRR主要取決于R2/R1和R4/R3。即使兩個(gè)電阻臂的誤差為1%，但仍會(huì)產(chǎn)生90μV/V的輸出共模增益。利用1%公差的電阻，電阻臂的比例變化也會(huì)達(dá)到±2%，在最差工作條件下，將會(huì)產(chǎn)生3.6mV/V的共模電壓誤差。因此，對(duì)于10V的輸入共模電壓，在A1輸出端可能產(chǎn)生高達(dá)36mV的誤差(電阻臂1%的比例變化會(huì)產(chǎn)生0.9mV的誤差)。36mV的誤差顯然是無(wú)法接受的，它會(huì)造成增益為250倍的A2進(jìn)入飽和狀態(tài)。1%電阻臂變化可能產(chǎn)生的放大后的誤差電壓為0.9mV×250=225mV。

總誤差

總誤差包括：A1輸入失調(diào)電壓的RSS、A2輸入失調(diào)電壓以及由于電阻誤差造成的輸出誤差電壓。如上所示，1%的電阻公差加上10V的共模變化，在最差條件下可能造成36mV誤差?？傆?jì)RSS輸入誤差電壓為

(VTOTAL_OS)^2=(VOS_A1)^2+(VOS_A2)^2 +(VOS_MISMATCH)^2

其中，VOS_A1和VOS_A2是A1和A2的輸入失調(diào)電壓，VOS_MISMATCH是1%電阻臂變化引起的輸入誤差電壓。

即使不考慮溫度變化的影響，A1和A2放大器的輸入失調(diào)電壓以及1%電阻臂不匹配所產(chǎn)生的總誤差也會(huì)導(dǎo)致高達(dá)1.67mV×250=417.5mV的誤差，是滿量程輸出的16.7%。另外，對(duì)于417.5mV的誤差電壓，等效于417.5mV/25=16.7mV的輸入失調(diào)誤差，這也是設(shè)計(jì)中無(wú)法接受的。

總誤差可以通過(guò)使用高精度電阻(0.1%)或有失調(diào)電壓更低的放大器得以改善。但這將進(jìn)一步增加了外部元件，提高系統(tǒng)成本。

注意，即使沒(méi)有負(fù)載的情況下，分壓電阻R4/R3和R2/R1仍然提供了一條對(duì)地的供電電流通路。這一低共模電阻對(duì)地通路將對(duì)電池供電產(chǎn)品造成很大影響，電阻的漏電流會(huì)迅速消耗電池能量。

圖4 集成高邊電流檢測(cè)放大器的基本架構(gòu)

專用高邊檢流放大器

實(shí)際應(yīng)用不僅需要在高共模電壓下檢測(cè)信號(hào)，而且還要求非常好的CMRR和低輸入失調(diào)電壓。圖4是常見(jiàn)的集成高邊檢流放大器(CSA)，集成在很小的封裝內(nèi)，從而大大縮小了電路板尺寸。采用高壓工藝制造這類IC，使其能夠處理高達(dá)80V甚至以上的共模電壓，即使在電源電壓低至2.8V的情況下。

在圖4電路中，電流流過(guò)檢測(cè)電阻時(shí)將產(chǎn)生一個(gè)小的差分電壓，加到增益電阻RG1上。該電流(與檢測(cè)電壓成正比)為鏡像電流，提供一個(gè)以地為參考的輸出電流，從高邊產(chǎn)生所要求的電位差。該電流輸出通過(guò)一個(gè)電阻或電壓緩沖器轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。