何在低端電流檢測(cè)中使用單端放大器

一、概要

了解如何在低端電流檢測(cè)中使用單端放大器，包括PCB布局技巧和注意事項(xiàng)，以及如何優(yōu)化布局提高檢測(cè)精度。

二、在低端電流檢測(cè)中使用單端放大器

低端檢測(cè)的主要優(yōu)點(diǎn)是可以使用相對(duì)簡(jiǎn)單的配置來(lái)放大分流電阻器上的電壓。例如，運(yùn)算放大器的可以做電機(jī)控制應(yīng)用中低成本電流檢測(cè)使用。

圖 1

然而，這種低成本的解決方案可能會(huì)帶來(lái)很多測(cè)量誤差。為了能夠準(zhǔn)確測(cè)量電流，我們需要考慮可能影響電路敏感節(jié)點(diǎn)（如放大器輸入）的任何非理想效應(yīng)。這也是我們?cè)谶@篇文章中重點(diǎn)討論的點(diǎn)。

三、PCB走線電阻的影響

一個(gè)重要的誤差是由于PCB走線造成的寄生電阻Rstray。由于待檢測(cè)電阻Rshunt在毫歐范圍內(nèi)的值很小，任何與Rshunt串聯(lián)的寄生電阻Rstray都可能對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生明顯誤差。如下圖所示，寄生電阻等效電路圖。

圖 2

根據(jù)應(yīng)用，Iload可高達(dá)數(shù)百安培。因此，即使是很小的Rstray值也會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的誤差電壓Verror。該誤差電壓將被放大器放大并出現(xiàn)在輸出端。

由于銅電阻的溫度系數(shù)相當(dāng)高（約0.4%/℃），Rstray的值會(huì)隨溫度發(fā)生很大變化。因此，當(dāng)該電路應(yīng)用在大范圍溫度變化的場(chǎng)景時(shí)，寄生電阻會(huì)會(huì)因溫度變化產(chǎn)生相當(dāng)大的誤差。因此，為了降低誤差電壓 Verror，我們應(yīng)該避免長(zhǎng)走線以最小化 Rstray。

值得一提的是，消除Rstray誤差的更有效解決方案是差分放大器而不是單端放大器。單端放大器檢測(cè)節(jié)點(diǎn)A相對(duì)于地的電壓。然而，差分放大器具有差分輸入可以檢測(cè)Rshunt兩端的電壓。如下圖所示。

圖 3

差分放大器的傳遞函數(shù)由下式給出：

由于差分放大器的差分輸入檢測(cè)Rshunt上的電壓，PCB走線的電阻不會(huì)產(chǎn)生誤差。我們將在以后的文章中更詳細(xì)地研究差分放大器配置。

四、阻焊電阻的影響

另一個(gè)誤差源是與檢測(cè)電阻串聯(lián)的焊接電阻。如下圖所示

圖 4

在該圖中，負(fù)載電流沿紅色箭頭方向從左向右流動(dòng)。垂直走線將分流電阻器連接到放大器輸入（In+ 和 In-）。因此，放大器會(huì)檢測(cè) A 點(diǎn)和 B 點(diǎn)之間的電壓差。檢測(cè)電阻的實(shí)際值將為 Rshunt+2Rsolder。焊接電阻可以在幾百微歐的范圍內(nèi)。

尤其是在使用小分流電阻器時(shí)，該誤差變得顯著。例如，使用0.5mΩ分流電阻和Iload=20 A，焊接電阻的誤差可能高達(dá)22%。為了解決這個(gè)問(wèn)題，放大器輸入應(yīng)直接連接到分流電阻而不是載流走線。如下圖是優(yōu)化后的PCB布局圖。

圖 5

在這種情況下，有兩對(duì)PCB焊盤(pán)：一對(duì)用于將Rshunt連接到負(fù)載，另一對(duì)用于將Rshunt連接到放大器輸入。在大電流應(yīng)用中，放大器消耗的電流(Iamp)遠(yuǎn)小于Iload。因此上述布局可以減少阻焊電阻造成的誤差。

為了更好地理解這種技術(shù)，讓我們比較兩種情況下的感測(cè)電壓。對(duì)于圖 4 所示的布局，檢測(cè)到的電壓為：

由于Iamp比Iload小得多，我們有

-公式1

這給出了2Rsolder1*Iload的誤差電壓。圖 5 中的布局如何？該布局的電路圖如下所示：

圖 6

請(qǐng)注意，電流 Iload 無(wú)需通過(guò) Rsolder2 即可返回其源。測(cè)得的電壓為：

在這種情況下，誤差為 2Rsolder2*Iamp，它遠(yuǎn)小于公式 1，因?yàn)镮amp遠(yuǎn)小于 Iload。這種電路結(jié)構(gòu)我們通常稱為開(kāi)爾文接法，這種接法在很多領(lǐng)域中得到使用，開(kāi)爾文接法能使我們準(zhǔn)確測(cè)量阻抗。圖7顯示了采用Kelvin傳感技術(shù)的其他一些PCB布局。

圖 7

五、噪聲地平面

圖8顯示了另一個(gè)誤差源，噪聲地平面。

圖 8

前文提到，由于普通放大器的單端輸入測(cè)量的是節(jié)點(diǎn)A相對(duì)于地的電壓。假設(shè)我們的電路板有一個(gè)專用的接地層。

我們可以在Rshunt附近放置一個(gè)過(guò)孔，以將B點(diǎn)保持在系統(tǒng)接地電位，并最大限度地減少PCB走線電阻的誤差。另一個(gè)敏感節(jié)點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)C。耦合到節(jié)點(diǎn)C的任何信號(hào)都將被放大并出現(xiàn)在輸出端。因此，我們也需要將節(jié)點(diǎn)C保持在地電位。

但是，假設(shè)地有噪聲，并且一些電流流過(guò)地平面，如圖8所示。這將導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)B和C之間的電位差，而我們理想情況下期望它們處于相同的電位。

假設(shè)節(jié)點(diǎn)B保持在地電位，與地電流的電壓差將出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)C并在輸出端引入誤差。為避免此錯(cuò)誤，建議使用使節(jié)點(diǎn)B和C彼此非常接近的 PCB 布局。

圖 9

上圖9顯示了一個(gè)將上述考慮因素考慮在內(nèi)的示例布局。我們使用的是SOT23 封裝的運(yùn)算放大器。

需要注意：開(kāi)爾文連接用于檢測(cè)分流電阻器上的電壓。另外，R1和Rshunt的接地側(cè)彼此需要非常靠近。

審核編輯：劉清