電流測試時采用高邊還是低邊監(jiān)測器？

目前隨著越來越多的便攜式應(yīng)用，對專用電流監(jiān)測器的需求已經(jīng)大大增加，從而以小封裝、低靜態(tài)電流實(shí)現(xiàn)其任務(wù)。以下的討論涵蓋低邊和高邊電流監(jiān)測器，包括其架構(gòu)和應(yīng)用。

大多數(shù)電流測量應(yīng)用采用低邊原理，檢測電阻與接地通路串聯(lián)(圖 1);或者采用高邊原理，檢測電阻與電源線串聯(lián)(圖 2)。兩種方法都具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。低邊電阻在接地通路中增加了不希望的額外阻抗;采用高邊電阻的電路必須承受相對較大的共模信號。此外，如果圖 1 中運(yùn)放的 GND 引腳以 RSENSE 的正端為基準(zhǔn)，那么其共模輸入范圍必須覆蓋至零以下，也就是 GND - (RSENSE × ILOAD)。

圖 1. 低邊電流監(jiān)測器原理

圖 2. 高邊電流監(jiān)測器示例

然而，不要因?yàn)榈瓦厹y量電路的簡單性而忽略高邊測量方法的優(yōu)勢。多種故障會避開低邊監(jiān)測器，從而使負(fù)載面臨危險和未檢測到的情形(圖 3)。注意，能夠檢測通過路徑 A 連接的負(fù)載，但通過路徑 B 的意外連接則避開了監(jiān)測器。另一方面，高邊監(jiān)測器直接連接至電源，能夠檢測所有的下行故障并觸發(fā)相應(yīng)的補(bǔ)救措施。高邊監(jiān)測器也比較適合汽車應(yīng)用，此類應(yīng)用中的外殼作為地電勢。

圖 3. 如果負(fù)載意外接地，通路 B 可產(chǎn)生危險的高電流

傳統(tǒng)高邊監(jiān)測器

以前，這兩種方案的許多實(shí)現(xiàn)方法都基于分立式元件或半分立式電路。最簡單情況下，此類高邊監(jiān)測器要求高精度運(yùn)放和少數(shù)幾個精密電阻。高邊測量的一種常見方法是使用傳統(tǒng)的差分放大器作為增益放大器以及從高邊至地的電平轉(zhuǎn)換器(圖 4)。盡管這種分立式電路使用廣泛，但具有以下三個主要缺點(diǎn)：

輸入電阻(等于 R1)相對較低。

輸入端的輸入阻抗通常呈現(xiàn)出較大偏差。

電阻必須良好匹配，以獲得可接受的共模抑制比(CMRR)：0.01%的電阻值偏差會將 CMRR 降低至 86dB，0.1%的偏差將其降低至 66dB，1%的偏差將其降低至 46dB。

高邊電流監(jiān)測需求帶動了大量用于該目的的新集成電路的發(fā)展。另一方面，低邊測量未推動新型相關(guān) IC 的進(jìn)步。

圖 4. 差分放大器是高邊電流測量電路中的基本元件

集成全差分放大器

隨著大量包含高精度放大器和精密匹配電阻的 IC 的推出，在高邊電流測量中使用差分放大器變得非常方便。這些器件的 CMRR 達(dá)到 105dB 數(shù)量級，MAX4198/MAX4199 就是例子之一(圖 5)。IC 采用 8 引腳μMAX 封裝，典型 CMRR 達(dá)到 110dB，增益誤差優(yōu)于 0.01%。

圖 5. 集成差分放大器(MAX4198/MAX4199)具有非常高的 CMRR

專用高邊監(jiān)測器

高邊電流測量的另一種方法以包含執(zhí)行測量所需全部功能的 IC 為代表。這些 IC 在高達(dá) 32V 的共模電壓下檢測高邊電流，并提供以地為基準(zhǔn)的電流或電壓輸出，輸出與被測電流成比例。電源管理、電池充電及其它必須高精度測量或控制電流的應(yīng)用均受益于這些專用電流檢測放大器。

Maxim 的高邊電路檢測放大器將電流檢測電阻放在電源的正端與被監(jiān)測電路電源輸入之間。這種設(shè)計避免了接地區(qū)域上的外接電阻，大大簡化了布局，通常會改善總體電路性能。Maxim 提供的單向和雙向電流檢測 IC 包括帶有或不帶內(nèi)部檢測電阻的雙向器件。雙向放大器包括一個用于指示電流方向的信號引腳。

這些單向和雙向電流檢測 IC 的型號包括帶可調(diào)增益，+20V/V、+50V/V 或+100V/V 固定內(nèi)部增益，以及內(nèi)部增益加單或雙比較器。器件采用小型封裝，滿足緊湊型應(yīng)用的嚴(yán)格要求。

所有 Maxim 高邊 IC 的共同點(diǎn)是具備提供以地為參考的電壓或電流輸出的能力，不需要或只需要很少的附加元件。輸出信號與被測高邊電流成比例，其共模電壓可高達(dá) 32V。圖 6 至 9 所示為集成高邊電流監(jiān)測器的幾種架構(gòu)。注意，MAX4172 電流源輸出與 RSENSE 上的電壓成比例。