電流監(jiān)控如何實(shí)現(xiàn)高效雙向電流檢測

越來越多的應(yīng)用需要快速準(zhǔn)確地進(jìn)行電流監(jiān)控，包括自動(dòng)駕駛汽車、工廠自動(dòng)化和機(jī)器人技術(shù)、通信、服務(wù)器電源管理、D 類音頻放大器和醫(yī)療系統(tǒng)。在許多這樣的應(yīng)用中，都要求進(jìn)行雙向電流檢測，而且需要以最小的成本有效地實(shí)現(xiàn)這一目的。 ? 雖然可以使用一對(duì)單向電流檢測放大器 (CSA) 構(gòu)建一個(gè)雙向電流檢測放大器 (CSA)，但構(gòu)建過程可能復(fù)雜、耗時(shí)。該過程會(huì)涉及到將兩個(gè)輸出合并成一個(gè)單端輸出的獨(dú)立軌至軌運(yùn)算放大器，或者在微控制器上使用兩個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 輸入，后者需要額外的微控制器編碼和機(jī)器周期。最后，使用兩個(gè)單向 CSA 構(gòu)建雙向 CSA——再加上將其整合為雙向解決方案所需的額外部件，這將消耗更多的電路板空間，而更多的器件會(huì)降低可靠性，增大庫存需求。最終可能導(dǎo)致成本和設(shè)計(jì)進(jìn)度雙雙超出預(yù)期。

為避免上述情況發(fā)生，設(shè)計(jì)人員可以采用集成、高速、精確的雙向 CSA。設(shè)計(jì)人員可以選擇帶有內(nèi)部低電感分流電阻的集成雙向 CSA 構(gòu)成最緊湊的解決方案，或者選擇使用外部分流器的 CSA 實(shí)現(xiàn)更靈活的設(shè)計(jì)和布局。

本文將回顧雙向 CSA 的實(shí)施要求和更高集成度方法的優(yōu)勢。然后以來自?STMicroelectronics、TexasInstruments, 和?AnalogDevices?的器件為例進(jìn)行詳細(xì)介紹，其中包括各器件的關(guān)鍵參數(shù)和各自的不同特征。最后，本文將展示如何使用這些器件開始設(shè)計(jì)，包括相關(guān)的參考設(shè)計(jì)/評(píng)估套件/開發(fā)套件，以及設(shè)計(jì)和實(shí)施技巧。

如何使用兩個(gè)單向 CSA

雙向 CSA 電路可以用兩個(gè)單向 CSA 以多種方式構(gòu)建（圖 1）。左側(cè)示例中使用的 Analog Devices?MAX4172ESA+T?不含內(nèi)部負(fù)載電阻，因此使用分立器件 Ra?和 Rb。在右側(cè)示例中，MAX4173TEUT+T?內(nèi)含一個(gè) 12 kΩ 負(fù)載電阻，可將其電流輸出轉(zhuǎn)換成電壓。

圖 1：可通過使用外部負(fù)載電阻或內(nèi)部負(fù)載電阻（右）的方式實(shí)現(xiàn)由兩個(gè)單向電流檢測放大器構(gòu)成的雙向電流檢測應(yīng)用。（圖片來源：Analog Devices）

雖然不需要兩個(gè)負(fù)載電阻，但 MAX4173TEUT+T 電路的反饋中增加了一個(gè) 1 nF 電容，以穩(wěn)定 B 部分的控制回路。在這兩種情況下，使用?MAX4230AXK+T?通用運(yùn)算放大器將來自兩個(gè) CSA 的輸出電流合并。

這兩種方法的零件數(shù)都高于使用單一雙向 CSA 時(shí)的零件數(shù)量。除了零件數(shù)量較多外，由于兩個(gè)單向 CSA 需要放置在靠近 VSENSE?電阻的地方，會(huì)導(dǎo)致 PC 板布局更加復(fù)雜。 ? ? 使用雙向 CSA 的應(yīng)用實(shí)例 雙向 CSA 是多功能器件，應(yīng)用廣泛。例如，在三相伺服電機(jī)系統(tǒng)中，可使用兩個(gè) CSA 來確定所有三相的瞬時(shí)繞組電流，而不需要進(jìn)行任何進(jìn)一步計(jì)算，也不需要任何有關(guān)脈寬調(diào)制 (PWM) 脈沖相位或占空比的信息（圖 2）。

圖 2：在三相伺服電機(jī)應(yīng)用中，兩個(gè)雙向 CSA 可以連接相位 1 (RSENSEΦ1) 和相位 2 （RSENSEΦ2）的檢測電阻，以產(chǎn)生可以代表第三相繞組中的電流的電壓。（圖片來源：AnalogDevices）

根據(jù)基爾霍夫定律，前兩個(gè)繞組的電流之和等于第三個(gè)繞組的電流。該電路使用兩個(gè)?MAX40056TAUA+?雙向 CSA 來測量兩相電流，并由?MAX44290ANT+T?通用運(yùn)算放大器進(jìn)行電流求和。由于所有三個(gè)放大器都有相同的參考電壓，因此產(chǎn)生了比率測量法。

在另一個(gè)示例中，一個(gè) D 類音頻放大器，一個(gè)雙向 CSA，如Texas Instruments 的?INA253A1IPW?可以用來準(zhǔn)確測量揚(yáng)聲器的負(fù)載電流（圖 3）。

圖 3：在 D 類音頻設(shè)計(jì)中，可使用雙向 CSA (INA253) 對(duì)揚(yáng)聲器進(jìn)行增強(qiáng)和診斷。（圖片來源：Texas Instruments）

揚(yáng)聲器負(fù)載電流的實(shí)時(shí)測量值可用于診斷，并通過量化關(guān)鍵的揚(yáng)聲器參數(shù)和這些參數(shù)的變化對(duì)放大器進(jìn)行性能優(yōu)化，具體包括：

線圈電阻

揚(yáng)聲器阻抗

共振頻率和共振頻率下的峰值阻抗

揚(yáng)聲器的實(shí)時(shí)環(huán)境溫度

電路板布局技巧和分流器注意事項(xiàng) 在實(shí)施電流檢測電路時(shí)，寄生電阻和電感是值得關(guān)注的問題。此外，過度焊接和寄生電阻也會(huì)導(dǎo)致檢測錯(cuò)誤。通常使用四端子電流檢測電阻。如果不選擇四端子電阻，則應(yīng)使用開爾文 pc 板布局技術(shù)（圖 4）。

圖?4：開爾文檢測跡線應(yīng)盡可能靠近電流檢測電阻上的焊接接觸焊盤。（圖片來源：Analog Devices） ? 將開爾文檢測跡線置于盡可能靠近電流檢測電阻的焊接接觸點(diǎn)的位置會(huì)最大限度地減少寄生電阻。開爾文檢測跡線的間距越大，就越會(huì)出現(xiàn)由于額外跡線電阻造成的測量誤差。

正確選擇檢測電阻是將寄生電感降至最小的一個(gè)重要方面。由于電壓誤差與負(fù)載電流成正比，因此應(yīng)盡量減少封裝電感。一般來說，繞線電阻的電感值最大，標(biāo)準(zhǔn)金屬膜器件的電感值處于中等水平。對(duì)于電流檢測應(yīng)用，一般推薦使用低電感金屬膜電阻。

分流電阻的值是在動(dòng)態(tài)范圍和功率耗散之間進(jìn)行權(quán)衡的結(jié)果。對(duì)于大電流檢測，建議使用低值分流器，以盡量減少熱耗散 (I2R)。在低電流檢測中，使用較大的電阻值能夠?qū)⑹д{(diào)電壓對(duì)檢測電路的影響降至最低。

大多數(shù) CSA 依靠外部分流器測量電流，但也有一些 CSA 使用內(nèi)部分流器。雖然使用內(nèi)部分流器的設(shè)計(jì)外形更緊湊，器件更少，但需要進(jìn)行一些權(quán)衡，具體包括：由于分流器值預(yù)先確定，所以靈活性較差；相比外部分流器，需要更大的靜態(tài)電流；可測量的電流大小會(huì)受到內(nèi)部分流器容量的限制。 ? ?

高電壓精密雙向 CSA

使用 STMicroelectronics 的?TSC2011IST，設(shè)計(jì)人員可以充分發(fā)揮其精密特性，使用低電阻外部分流器，從而最大限度地減少功率耗散（圖 5）。這款雙向 CSA 旨在為數(shù)據(jù)采集、電機(jī)控制、螺線管控制、儀表、測試和測量以及過程控制等應(yīng)用提供精確的電流測量。

圖 5：TSC2011IST 包括一個(gè)關(guān)斷引腳 (SHDN)，可以最大限度地節(jié)能，其工作溫度為 -40 至 125℃。（圖片來源：STMicroelectronics）

TSC2011IST的放大器增益為 60 V/V，集成了電磁干擾 (EMI) 濾波器，具有 2 (kV) 人體模型 (HBM) 靜電放電 (ESD) 容限（根據(jù) JEDEC JESD22-A114F 標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定）。TSC2011 可以檢測到低至 10 mV 的滿量程電壓降，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定測量。憑借 750 kHz 增益帶寬積和 7.0 V/μs壓擺率，該器件確保了高精確度和快速響應(yīng)。

設(shè)計(jì)人員可以借助?STEVAL-AETKT1V2?評(píng)估板快速上手 TSC2011IST（圖 6）。該器件可以在 -20 V 到 +70 V 的寬共模電壓范圍內(nèi)檢測電流。TSC2011IST 的特點(diǎn)：

增益誤差：最大 0.3%

失調(diào)漂移：最大 5 μV/°C

增益漂移：最大 10 ppm/°C

靜態(tài)電流：關(guān)斷模式下 20 μA

圖 6：STEVAL-AETKT1V2 評(píng)估板包括主板和一個(gè)包含 TSC2011IST 的子卡。（圖片來源：STMicroelectronics）

內(nèi)部雙向分流 CSA

Texas Instruments 的?INA253A1IPW?集成了一個(gè) 2 mΩ、0.1% 低電感分流器，支持高達(dá) 80 V 的共模電壓（圖 7）。INA253A1IPW為設(shè)計(jì)人員提供了可抑制大 dv/dt 信號(hào)的增強(qiáng)型 PWM 抑制電路，從而實(shí)現(xiàn)了針對(duì)如電機(jī)驅(qū)動(dòng)、螺線管控制等應(yīng)用的連續(xù)、實(shí)時(shí)的電流測量。內(nèi)部放大器具有精密的零漂移拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且共模抑制率 (CMRR) 大于 120 dB DC CMRR 和 90dB AC CMRR（50 kHz 時(shí)）。

圖 7：典型應(yīng)用中的 INA253A1IPW 雙向 CSA。該器件具有內(nèi)部分流器，可在 -40 至 +85°C 的溫度范圍內(nèi)測量±15 A 連續(xù)電流。（圖片來源：Texas Instruments） ? 通過使用相關(guān)的?INA253EVM?評(píng)估板上的測試點(diǎn)訪問 INA253A1IPW 的功能引腳，設(shè)計(jì)人員就可以加快基于該 CSA 的系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)（圖 8）。這種雙層板的尺寸為 2.4 ×4.2 英寸，用 1 oz 的銅制作而成。

? 圖 8：該雙層 INA253EVM 器件的尺寸為 2.4 × 4.2 英寸，用 1 oz 的銅制作而成。該器件的底層沒有任何元件，只是一個(gè)堅(jiān)實(shí)的銅制地平面，用來為返回電流提供低阻抗路徑。（圖片來源：Texas Instruments）

該 pc 板上包括了最小的支持電路，并且可以根據(jù)需要重新配置、移除或旁路掉各種功能。INA253EVM具有以下功能：

三個(gè) INA253A1IPW 器件

所有針腳都易于接觸

在整個(gè) -40 至 +85°C 的溫度范圍內(nèi)，支持 ±15A 的電流通過 INA253 CSA 的電路板布局和結(jié)構(gòu)

將支座放在 pc 板上，可用于除默認(rèn)配置外的其他配置

該器件的底層沒有任何元件，只是一個(gè)堅(jiān)實(shí)的銅制地平面，用來為返回電流提供低阻抗路徑。

獲得 AEC-Q100 認(rèn)證的雙向 CSA

為了監(jiān)測全橋電機(jī)控制、開關(guān)電源、螺線管和電池組以及汽車應(yīng)用中的電流，設(shè)計(jì)人員可使用 Analog Devices 的?LT1999IMS8-20#TRPBF（圖 9）。

? 圖 9：LT1999IMS8-20#TRPBF 是全橋電樞電流監(jiān)測應(yīng)用中的雙向 CSA。（圖片來源：Analog Devices）

LT1999IMS8-20#TRPBF符合汽車應(yīng)用的 AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)，包括了一個(gè)關(guān)斷模式，可最大限度地降低功耗。該器件使用外部分流器來測量電流的方向和大小。該器件可按比例產(chǎn)生一個(gè)輸出電壓，該值是位于電壓和地之間的參考中間值。設(shè)計(jì)人員可以選擇使用外部電壓來設(shè)置參考電平。

當(dāng) VSHDN（引腳 8）被驅(qū)動(dòng)至 0.5V 地電壓時(shí)，LT1999IMS8-20#TRPBF 進(jìn)入電流消耗約 3 μA 的低功耗關(guān)斷狀態(tài)。如果輸入引腳（+IN 和 -IN）經(jīng)過偏置后在 0 至 80 V 之內(nèi)（不施加差分電壓），其電流消耗約 1 nA。內(nèi)部 1?階差分低通 EMI 抑制濾波器降低了 EMI 敏感性，有助于消除超出器件帶寬的高頻信號(hào)。

為了方便測試 LT1999 系列，Analog Devices 提供?1698A?演示板。該板放大了板載電流檢測電阻器上的電壓降，并產(chǎn)生一個(gè)與流經(jīng)該電阻器的電流成比例的雙向輸出電壓。設(shè)計(jì)人員可選擇三種固定增益：10 V/V (DC1698A-A)、20 V/V (DC1698A-B) 和 50 V/V (DC1698A-C)。

具有 PWM 抑制功能的雙向 CSA

為了在控制諸如螺線管和電機(jī)等感性負(fù)載的設(shè)計(jì)中改善對(duì)共模輸入 PWM 邊沿的抑制，設(shè)計(jì)人員可以使用 MAX40056TAUA+（圖 10）。如上文圖 2 中所述，MAX40056TAUA+是雙向 CSA，可以處理 ±500 V/μs 及以上的壓擺率。該器件的典型 CMRR 為 60dB（50 V，±500 V/μs 輸入）和 140 dB DC。其共模范圍從 -0.1 V 到 +65 V，并提供針對(duì)低至 -5 V 電感回跳電壓的保護(hù)。

圖 10：MAX40056TAUA+ 包括一個(gè)內(nèi)部 1.5 V 電壓基準(zhǔn)、增強(qiáng)型 PWM 抑制以及一個(gè)用于檢測正負(fù)過流條件的內(nèi)部集成窗口比較器（左下方，由 CIP 輸入驅(qū)動(dòng)）。（圖片來源：Analog Devices）

這款 MAX40056TAUA+ 器件具有內(nèi)部 1.5 V 電壓基準(zhǔn)。該參考電壓有多種用途，具體包括：

驅(qū)動(dòng)差分式模數(shù)轉(zhuǎn)換器

對(duì)輸出進(jìn)行偏移，以顯示檢測到的電流方向

將電流導(dǎo)入外部負(fù)載，以減輕性能下降的影響

當(dāng)更高的滿量程輸出擺動(dòng)有用或者電源電壓高于 3.3 V 時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以用更高的外部電壓基準(zhǔn)來覆蓋內(nèi)部基準(zhǔn)。最后，設(shè)計(jì)人員可以使用內(nèi)部或外部基準(zhǔn)來設(shè)置閾值，以使集成過流比較器跳閘，從而提供即時(shí)過流故障信號(hào)。

用于 MAX40056TAUA+ 的?MAX40056EVKIT#?評(píng)估套件為設(shè)計(jì)人員提供了一個(gè)成熟的平臺(tái)，可用于開發(fā)高精度、高電壓、雙向 CSA 應(yīng)用，如螺線管驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)控制器。

結(jié)論

各種各樣的應(yīng)用都需要進(jìn)行快速、準(zhǔn)確地電流監(jiān)控，包括從自動(dòng)駕駛汽車、工廠自動(dòng)化和機(jī)器人技術(shù)，到通信、服務(wù)器電源管理、D 類音頻放大器和醫(yī)療系統(tǒng)的大量應(yīng)用。在許多情況下，都需要雙向電流檢測。

幸運(yùn)的是，設(shè)計(jì)人員可從各種集成雙向 CSA 及其相關(guān)的開發(fā)平臺(tái)中選擇，以便快速有效地實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的雙向電流監(jiān)測。 ?

審核編輯：黃飛

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