在模擬電路設(shè)計(jì)中，最常見的任務(wù)之一便是電流測(cè)量。電流檢測(cè)電路常常位于電源和電池使用壽命管理、偏置電流控制、負(fù)載監(jiān)視、熔斷器監(jiān)視、故障保險(xiǎn)電路和儀表的核心部分。各種約束條件、要求以及應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大始終在推動(dòng)著電流檢測(cè)技術(shù)發(fā)展水平的提高。本文將說明高端電流檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)，并重點(diǎn)介紹面向該應(yīng)用的新型放大器。

在高端進(jìn)行測(cè)量

在理想的電路中，電流的測(cè)量是在不中斷電流通路的情況下進(jìn)行的。例如，可采用一個(gè)電磁式拾波器來檢測(cè)電流，只可惜磁性傳感器的準(zhǔn)確度欠佳。因此，電流檢測(cè)電路通常在電流通路中布設(shè)一個(gè)電阻器，并采用一個(gè)放大器來測(cè)量該電阻器兩端的電壓降。

圖1 采用一個(gè)精準(zhǔn)差分放大器的高端電流檢測(cè)

此項(xiàng)工作看似微不足道，可等到您考慮電流檢測(cè)電阻器的布設(shè)位置時(shí)就會(huì)恍然大悟，實(shí)際情況原來并非如此！按照接地回線來布設(shè)電阻器（被稱為“低端電流檢測(cè)”）會(huì)帶來不少難題。舉例來說，負(fù)載將不再具有一個(gè)可靠的接地線路;當(dāng)電流發(fā)生變化時(shí)，您的電路的“相對(duì)地”將隨之改變。一個(gè)變動(dòng)的“地”會(huì)使用于充電或電源管理電路的信號(hào)產(chǎn)生誤差。另外，為了準(zhǔn)確地測(cè)量電流，您必須完全隔離并容納流經(jīng)檢測(cè)電阻器的全部電流。所有曾和接地環(huán)路打過交道的人都知道這會(huì)是一件困難的事情。

為了消除低端電流檢測(cè)的問題，可把電流檢測(cè)電阻器置于電源和負(fù)載之間，這就是所謂的高端電流檢測(cè)。高端電流檢測(cè)必須辨別加在一個(gè)高共模電壓之上的小檢測(cè)電壓。

簡(jiǎn)單易行的方法

用于高端電流檢測(cè)的一項(xiàng)技術(shù)是：首先對(duì)電流檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行衰減，然后采用一個(gè)差分放大器來提取并放大差分電壓。如圖1所示，可在放大器上采用一個(gè)簡(jiǎn)單的電阻分壓器。該電路需要超卓的電阻器匹配性能和一個(gè)具有高共模輸入電壓及上佳共模抑制（CMRR）的差分放大器。凌特公司的LT1991差分放大器提供了此類電路的一個(gè)出色的實(shí)例，其內(nèi)置電阻器的匹配精度在0.01% 以內(nèi)。除了低失調(diào)、失調(diào)漂移和輸入偏置之外，LT1991還能夠接受高達(dá)60V的輸入電壓，并具有一個(gè)75dB的CMRR指標(biāo)。

專用電流檢測(cè)放大器

盡管高共模電壓所提供的準(zhǔn)確度有可能讓人無法接受，但是，采用一個(gè)具有精確匹配電阻器的精準(zhǔn)差分放大器還是能夠起到上佳的作用。假設(shè)采用一個(gè)具有1mV固定失調(diào)電壓的放大器來測(cè)量一個(gè)檢測(cè)電阻器兩端的100mV電壓。這將轉(zhuǎn)化成一個(gè)1% 的準(zhǔn)確度。現(xiàn)在，如果在一個(gè)必須被衰減10倍的高共模電壓條件下對(duì)該100mV電壓進(jìn)行測(cè)量，則100mV信號(hào)到達(dá)放大器輸入端時(shí)將是10mV。此時(shí)，準(zhǔn)確度下降至原先的10%。電阻器匹配誤差和共模抑制誤差（CMRR）還將使準(zhǔn)確度進(jìn)一步下降。

對(duì)于高電壓、高端測(cè)量而言，專用高端電流檢測(cè)放大器是一種更好的選擇，因?yàn)樗鼈兪菍槟軌蛞猿旱木仍诟吖材ｋ妷簵l件下運(yùn)作而設(shè)計(jì)的。這些放大器擁有眾多的功能，旨在滿足各種應(yīng)用的需要。

圖2 LTC6101HV可容易地與一個(gè)ADC相連

圖3 通過引腳搭接來選擇增益，無需使用外部元件

作為通用型高端電流檢測(cè)放大器（此時(shí)，外形尺寸和設(shè)計(jì)靈活性是很重要的指標(biāo)），不妨考慮采用凌特公司的LT6100。這款高端電流檢測(cè)放大器包括一個(gè)輸出緩沖器以及用于設(shè)定6種增益配置和0.5% 增益準(zhǔn)確度的內(nèi)部電阻器，所有這些部件均集成于一個(gè)占板面積為9mm2的封裝之中。LT6100的輸入是一個(gè)具有300μV低失調(diào)電壓并能夠接受高達(dá)48V的全差分電壓堅(jiān)固型差分放大器。因此，該器件可監(jiān)視一個(gè)熔斷器或MOSFET（而無需顧及開路），并能承受一個(gè)-48V的反向輸入條件。提供了一個(gè)單獨(dú)的2.7V至36V的電源輸入，且器件僅需消耗60μA的電流。當(dāng)斷電時(shí)，輸入引腳變?yōu)楦咦杩範(fàn)顟B(tài)，從而阻止了電流吸收。輸入電路能夠承受大差分電壓并在斷電時(shí)使其自身基本斷接，這使得該器件非常適合在某些故障條件下使用。在有些場(chǎng)合中，人們或許更希望采用一款能夠啟動(dòng)故障快速響應(yīng)的高速高端放大器。

系統(tǒng)中的電感性元件會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成嚴(yán)重的破壞，并引發(fā)很大的共模波動(dòng)。如果您希望保護(hù)自己的設(shè)備免遭負(fù)載故障或高電壓反激條件的損壞，則對(duì)有可能產(chǎn)生的電壓以及避免系統(tǒng)受損所需的速度進(jìn)行評(píng)定是很重要的。對(duì)于高達(dá)105V的峰值電壓，凌特公司的LTC6101能夠?qū)φ麄€(gè)故障過程進(jìn)行連續(xù)監(jiān)視。該器件的響應(yīng)時(shí)間為1μs，還能夠啟動(dòng)一個(gè)快速停機(jī)操作。

對(duì)于高端電流檢測(cè)而言，另一個(gè)有價(jià)值的特征是具備雙向操作能力。例如：一個(gè)具有充電和放電電流的電池式設(shè)備就有可能需要進(jìn)行雙向電流檢測(cè)。實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的方法之一是把兩個(gè)單向器件（比如：LTC6101和LT6100）組合起來使用。另一種可選方案是采用凌特的LT1787高性能雙向電流檢測(cè)放大器。LT1787加上一個(gè)外部檢測(cè)電阻器可提供一種用于實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、雙向電流檢測(cè)的簡(jiǎn)易、緊湊型解決方案。即使在采用低值、低插入損耗檢測(cè)電阻器的情況下，也能夠?qū)崿F(xiàn)高于1/10000的電流分辨率。LT1787的技術(shù)規(guī)格是專為在2.5V至60V的電源電壓條件下使用而擬訂的，只需要60μA（最大值）的電源電流。

應(yīng)用

具有16位分辨率的低功耗電流監(jiān)視器

凌特公司的LTC6101的速度和準(zhǔn)確度使其非常適合直接與一個(gè)ADC（比如凌特的16位ΔΣ型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器LTC2433）相連。LTC6101是一款獨(dú)特的電流檢測(cè)放大器，可通過放大器的輸入和輸出電阻器來提供控制。這些電阻器是影響增益準(zhǔn)確度的主要因素，因此，采用1% 精度的電阻器可使您輕松實(shí)現(xiàn)優(yōu)于0.2% 的增益準(zhǔn)確度。此外，用戶還能夠靈活地設(shè)定增益和輸出阻抗，以優(yōu)化ADC接口。該解決方案采用了纖巧的表面貼裝型元件和兩個(gè)外部電阻器，因而具有很高的空間和功率利用率。這款電路的典型功耗低于500mA。

圖4 施加偏壓可使輸出在采用單工作電源時(shí)指示電流的方向

具有12kHz滾降頻率的0A~33A、高端電流監(jiān)視器

LT6100最簡(jiǎn)單、最實(shí)用的應(yīng)用之一是作為一個(gè)大動(dòng)態(tài)范圍電流監(jiān)視器。由于它的失調(diào)電壓僅為300μV，因此，采用一個(gè)3mΩ分流電阻器就能夠提供100mA的分辨率和一個(gè)33A的全標(biāo)度范圍。在這款電路中，該器件采用一個(gè)單3V電源。當(dāng)斷電時(shí)，LT6100輸入與系統(tǒng)基本“斷接”，因?yàn)樗话銉H吸收1nA的輸入電流。在濾波器輸入引腳FIL上連接一個(gè)220pF電容器可提供一個(gè)12kHz差分噪聲滾降頻率，而且，通過引腳A4和A2來配置內(nèi)部電阻器可選擇一個(gè)25V/V的增益。

一個(gè)單電源上的充電/放電電流監(jiān)視器

通過允許直接使用凌特公司的LT1787的輸出電阻器，可給該雙向器件的輸出施加期望中間點(diǎn)的偏置電壓。在本例中，采用一個(gè)外部電壓基準(zhǔn)來給輸出施加偏壓（針對(duì)單電源操作）。輸入信號(hào)能夠擺動(dòng)至偏置電壓以上和以下，以指示流經(jīng)檢測(cè)電阻器的正電流或負(fù)電流。本例中，該電路可在采用一個(gè)低至3.1V的電源電壓時(shí)正常運(yùn)作。

結(jié)語

不管您正在設(shè)計(jì)的電路是用于工業(yè)、汽車、軍事還是通信系統(tǒng)，單片式電流檢測(cè)放大器都能夠在一個(gè)小型封裝之內(nèi)提供眾多的功能。利用單個(gè)高端電流檢測(cè)放大器可使電流的監(jiān)視和控制得以極大的簡(jiǎn)化。由于電流檢測(cè)具有許多獨(dú)特的應(yīng)用，因此凌特公司開發(fā)了大量的電流檢測(cè)電路。其中，本指南介紹了用于高端和低端電流檢測(cè)、單向和雙向電流檢測(cè)以及高電流和低電流檢測(cè)的電路，并概要闡述了PCB電流檢測(cè)電阻器的設(shè)計(jì)。