【導(dǎo)讀】對(duì)于大部分應(yīng)用，都是通過(guò)感測(cè)電阻兩端的壓降測(cè)量電流。測(cè)量電流時(shí)，通常會(huì)將電阻放在電路中的兩個(gè)位置。第一個(gè)位置是放在電源與負(fù)載之間。這種測(cè)量方法稱(chēng)為高側(cè)感測(cè)。通常放置感測(cè)電阻的第二個(gè)位置是放在負(fù)載和接地端之間。這種電流感測(cè)方法稱(chēng)為低側(cè)電流感測(cè)。這兩種用于感測(cè)負(fù)載中電流的方法如圖圖 1 所示。
圖 1. 電流感測(cè)方法
兩種測(cè)量方法各有利弊。低側(cè)電流測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)之一是共模電壓，即測(cè)量輸入端的平均電壓接近于零。這樣更便于設(shè)計(jì)應(yīng)用電路，也便于選擇適合這種測(cè)量的器件。由于電流感測(cè)電路測(cè)得的電壓接近于地，因此在處理非常高的電壓時(shí)、或者在電源電壓可能 易于出現(xiàn)尖峰或浪涌的應(yīng)用中， 優(yōu)先選擇這種方法測(cè)量電流。由于低側(cè)電流感測(cè)能夠抗高壓尖峰干擾，并能監(jiān)測(cè)高壓系統(tǒng)中的電流，因此廣泛應(yīng)用于很多汽車(chē)、工業(yè)和電信 應(yīng)用中。低側(cè)電流感測(cè)的主要缺點(diǎn)是采用電源接地端和負(fù)載/系統(tǒng)接地端時(shí)，感測(cè)電阻兩端的壓降會(huì)有所不同。如果其他電路以電源接地端為基準(zhǔn)，可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。為最大限度地避免此問(wèn)題，存在交互的所有電路均應(yīng)以同一接地端為基準(zhǔn)。降低電流感測(cè)電阻值有助于盡量減小接地漂移。
設(shè)計(jì)電路或選擇用于電流測(cè)量的器件時(shí)，低側(cè)電流感測(cè)是最簡(jiǎn)單的方法。由于輸入端的共模電壓低，因此可使用差分放大器拓?fù)?。圖 2 給出了采用運(yùn)算放大器（運(yùn)放）的經(jīng)典差分放大器拓?fù)洹?/div>
圖 2. 用于低側(cè)感測(cè)的運(yùn)算放大器配置
使用運(yùn)放進(jìn)行電流感測(cè)時(shí)，要確保運(yùn)算正確，需要滿(mǎn)足多項(xiàng)性能要求。首先，通過(guò)信號(hào)電源工作時(shí)，運(yùn)算放大器需要支持對(duì)地的共模輸入電壓。由于差分放大器通常會(huì)提高差分輸入信號(hào)的增益，因此務(wù)必?cái)[動(dòng)到運(yùn)放的軌規(guī)范范圍內(nèi)，以確保信號(hào)正常傳遞到輸出端。由于上述原因，通常會(huì)優(yōu)先使用軌到軌輸入和輸出運(yùn)算放大器進(jìn)行電流感測(cè)。由于在差分放大器配置中并未指定運(yùn)算放大器，因此難以判斷在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)達(dá)到何種性能。如果在運(yùn)放周?chē)黾与娮?，建立電流感測(cè)電路，則轉(zhuǎn)換率、帶寬、輸入電流、共模抑制以及漂移等參數(shù)性能都會(huì)下降。參數(shù)性能下降程度將取決于放大器的閉環(huán)增益以及增益設(shè)置電阻的值。采用分立解決方案時(shí)，需要考慮圖 2 中 R1 和 R2 的匹配和容差，因?yàn)檫@些元件的變化將直接影響電路的增益誤差。
采用分立電流感測(cè)放大器時(shí)要考慮的另一因素是 PCB布局。需要將 R1 和 R2 放在盡可能靠近運(yùn)算放大器和電流感測(cè)電阻的位置。將這些元件放在靠近運(yùn)放的位置后，運(yùn)算放大器同相輸入端出現(xiàn)噪聲拾取的可能性會(huì)降低。由于很多電流感測(cè)放大器都與 DC/DC 轉(zhuǎn)換器配合使用，因此需要仔細(xì)考慮整個(gè)電流感測(cè)電路的放置位置，以免 DC/DC 電源發(fā)出輻射噪聲。差分放大器增益可通過(guò)圖 2 所示的等式進(jìn)行計(jì)算。但增益增大或減小都會(huì)影響解決方案的穩(wěn)定性和帶寬。如果應(yīng)用中存在容性負(fù)載，需要特別考慮運(yùn)放的 穩(wěn)定性，以免 出現(xiàn)振蕩或嚴(yán)重的輸出振鈴現(xiàn)象。
若要克服分立實(shí)現(xiàn)方案的缺陷，一種有效方式是采用圖3 中所示的電流感測(cè)放大器。
圖 3. 采用 INA199 電流感測(cè)放大器進(jìn)行低側(cè)電流感測(cè)
電流感測(cè)放大器集成了增益設(shè)置電阻，從而可減少分立實(shí)現(xiàn)方案存在的諸多布局問(wèn)題。內(nèi)部電阻設(shè)計(jì)用于減少不匹配情況，從而可優(yōu)化增益誤差規(guī)范。電流感測(cè)放大器經(jīng)過(guò)預(yù)先配置，可滿(mǎn)足多種不同的增益要求。例如，INA199 的增益可為50、100和200V/V。帶寬和容性負(fù)載穩(wěn)定性使用數(shù)據(jù)表中指定的最大容性負(fù)載針對(duì)各個(gè)增益設(shè)置進(jìn)行了優(yōu)化。集成增益設(shè)置電阻可降低噪聲靈敏度、減小 PCB 占用面積，并可簡(jiǎn)化布局。集成這些電阻并不一定意味著會(huì)增大封裝尺寸。INA199 可采用 2 mm x 1.25 mm SC70 6 引線(xiàn)封裝和 1.8 mm x1.4 mm 超薄四方扁平無(wú)引線(xiàn) (UQFN) 封裝。
INA199 的電流測(cè)量精度要高于成本效益高的分立運(yùn)放設(shè)計(jì)可達(dá)到的精度。該器件 在 -40°C 至 105°C 溫度范圍內(nèi)的最大增益誤差為 1.5%。INA199 的偏移小于 150μV，漂移低于 0.5 μV/°C。
INA199 還 具有 REF 引腳。施加到 REF 引腳上的電壓會(huì)增大輸出端電壓。如果下游器件需要轉(zhuǎn)換電流信號(hào)電平，可使用該引腳。
備選器件建議
對(duì)于對(duì)性能要求較高的 應(yīng)用， INA210-215 系列器件具有較低的偏移（最大 35μV）和增益誤差（最大 1%）。如果需要使用數(shù)字接口實(shí)現(xiàn)高精度電流監(jiān)測(cè)，INA226具有 最大 10 μV 的偏移以及 0.1% 的增益誤差。如果需要小型數(shù)字電流監(jiān)測(cè)，可選擇采用小型 1.68 mm x 1.43mm 封裝的 INA231，它非常適合便攜式應(yīng)用或空間受限的其他 應(yīng)用。如果需要通過(guò)引腳可綁定的增益設(shè)置進(jìn)行電壓輸出電流監(jiān)測(cè)，可采用 INA225。
表 1. 備選器件建議
表 2. 相關(guān)技術(shù)報(bào)告
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