高邊電流檢測測量:電路和原理

電流測量(即檢測流入和流出電子電路的電流)是設(shè)計者的一項必備技能，也是各種應(yīng)用中必不可少的。應(yīng)用示例包括過流保護、4–20mA系統(tǒng)、電池充電器、高亮度LED控制、GSM基站電源、H橋電機控制，您必須知道此類應(yīng)用中流入和流出可充電電池的電流比(也就是電量計功能)。

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。

采用高邊還是低邊監(jiān)測器？

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。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中運放的GND引腳以RSENSE的正端為基準，那么其共模輸入范圍必須覆蓋至零以下，也就是GND - (RSENSE?× ILOAD)。

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圖1. 低邊電流監(jiān)測器原理。

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圖2. 高邊電流監(jiān)測器示例。

然而，不要因為低邊測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。

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圖3. 如果負載意外接地，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：

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• 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。

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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的進步。

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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達到110dB，增益誤差優(yōu)于0.01%。

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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32V的共模電壓下檢測高邊電流，并提供以地為基準的電流或電壓輸出，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)用的嚴格要求。

所有Maxim高邊IC的共同點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。

新型高邊監(jiān)測器的方程式表明，外部電阻對CMRR的影響不再是問題，因為現(xiàn)在的MRR(典型值大于90dB)主要取決于集成放大器。在單片IC中集成電流檢測功能具有如下優(yōu)勢：

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• 有源和無源集成器件的嚴格容限
• 優(yōu)異的溫度系數(shù)(TC)
• 小尺寸
• 低功耗
• 易用性

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圖6. 雙向高邊電流監(jiān)測器的簡化原理圖(MAX9928/MAX9929)，帶有表示電流方向的SIGN輸出。

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圖7. 單向高邊電流監(jiān)測器(MAX4372)。

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圖8. 另一種單向高邊電流監(jiān)測器(MAX4172)。

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圖9. 單向高邊電流監(jiān)測器的另一種架構(gòu)(MAX4173)。

選擇RSENSE的相關(guān)考慮事項

在設(shè)計任何類型的電流監(jiān)測器時，謹慎選擇檢流電阻(RSENSE)非常重要也必不可少。應(yīng)遵循以下標(biāo)準選擇RSENSE：

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• 電壓損耗：高RSENSE值造成電源電壓通過IR損耗降低。最低的RSENSE值能夠?qū)崿F(xiàn)最少的電壓損耗。
• 精度：高RSENSE值能夠較高精度地測量低電流，因為其電壓失調(diào)和輸入偏置電流失調(diào)比檢測電壓小得多。
• 效率和功耗：大電流時，RSENSE中的I2R損耗比較大，所以在選擇電阻值和功耗額定值(瓦特)時應(yīng)加以考慮。檢測電阻溫度過高也造成其電阻值漂移。
• 電感：如果ISENSE的高頻成分較大，RSENSE必須具有低電感。繞線片式電阻的電感最高，金屬薄膜電阻稍好一些，但推薦低電感金屬薄膜電阻(1.5Ω以下可用)。與金屬薄膜和繞線片式電阻(也就是螺旋纏繞在核芯上)不同，低電感金屬薄膜電阻由直金屬條組成。
• 成本：對于RSENSE成本要求嚴格的應(yīng)用，可將PCB走線作為檢測電阻(圖10)。由于銅電阻的精度不高，需要利用電位計調(diào)節(jié)滿幅電流。對于溫度變化范圍較寬的系統(tǒng)，銅電阻溫度系數(shù)相當(dāng)高(大約0.4%/°C)。

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圖10. 該高邊電流監(jiān)測器(MAX4172)采用PCB走線作為RSENSE.

高邊監(jiān)測器的應(yīng)用

圖11所示的電路為可變線性電流源。IC1將R1電流轉(zhuǎn)換為成比例的輸出電壓，使電壓調(diào)節(jié)器(IC2)產(chǎn)生穩(wěn)壓輸出電流。為將IOUT設(shè)置為0mA至500mA之間的調(diào)節(jié)電流，在ICONTROL上施加5V至0V電壓(5V設(shè)置IOUT?= 0mA，0V設(shè)置IOUT?= 500mA)。作為替代方案，您可增加如圖所示的D/A轉(zhuǎn)換器，對IOUT進行數(shù)字控制。對于12位分辨率(60μA/LSB)，DAC可為并行輸入MAX530或串行輸入MAX531；對于10位分辨率(250μA/LSB)，DAC可為并行輸入MAX503或串聯(lián)行入MAX504。

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圖11. 可變線性電流源(MAX603)。

圖12所示電路為0–5A可編程電流源，利用4V至28V電源產(chǎn)生0A至5A電流，具有兩方面優(yōu)勢：12位D/A轉(zhuǎn)換器使其能夠進行數(shù)字編程；開關(guān)模式降壓型調(diào)節(jié)器(IC1)使其比使用線性晶體管的替代電流源的效率高。應(yīng)用包括過流保護、4–20mA系統(tǒng)、電池充電器、高亮度LED控制、GSM基站電源以及H橋電機控制。

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圖12. 0–5A可編程電流源(MAX4173)。

通用串行總線(USB)的廣泛應(yīng)用帶動了各種2.7V至5.5V電源過流保護電路的發(fā)展，但高于該電壓范圍的產(chǎn)品很少。圖13所示的短路器工作在26V電源電壓下，利用可編程電流門限進行觸發(fā)。

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圖13.該高壓短路器(MAX4172)提供高達26V的保護。