使用集成的雙向電流檢測(cè)放大器高效實(shí)現(xiàn)電流監(jiān)控

越來(lái)越多的應(yīng)用需要快速準(zhǔn)確的電流監(jiān)控，包括自動(dòng)駕駛汽車(chē)、工廠自動(dòng)化和機(jī)器人、通信、服務(wù)器電源管理、D 類(lèi)音頻放大器和醫(yī)療系統(tǒng)。在許多此類(lèi)應(yīng)用中，需要雙向電流檢測(cè)，但需要以最低的成本高效完成。

雖然可以使用一對(duì)單向CSA構(gòu)建雙向電流檢測(cè)放大器（CSA），但這可能是一個(gè)復(fù)雜且耗時(shí)的過(guò)程。它涉及一個(gè)單獨(dú)的軌到軌運(yùn)算放大器，將兩個(gè)輸出組合成一個(gè)單端輸出，或者在微控制器上使用兩個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）輸入，這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（加上將它們集成到雙向解決方案中所需的其他組件）可能會(huì)消耗更多的電路板空間，而更多的零件數(shù)量會(huì)降低可靠性并增加庫(kù)存需求。最終結(jié)果可能是成本和設(shè)計(jì)進(jìn)度超支。

相反，設(shè)計(jì)人員可以轉(zhuǎn)向集成、高速、精確的雙向 CSA。他們可以選擇具有內(nèi)部低電感分流電阻器的集成雙向 CSA，以產(chǎn)生最緊湊的解決方案，也可以選擇使用外部分流器的 CSA，以提供更靈活的設(shè)計(jì)和布局選項(xiàng)。

本文回顧了雙向 CSA 的實(shí)施要求以及更集成的方法的好處。然后介紹[意法半導(dǎo)體]、[德州儀器]和[ADI]公司的示例器件，包括關(guān)鍵參數(shù)和差異特性。最后，本文介紹了如何開(kāi)始使用這些器件進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括相關(guān)的參考設(shè)計(jì)/評(píng)估套件/開(kāi)發(fā)套件，以及有關(guān)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的技巧。

如何使用兩個(gè)單向 CSA

雙向 CSA 電路可以使用兩個(gè)單向 CSA 以多種方式構(gòu)建（圖 1）。ADI公司MAX4172ESA+T（如左例所示）不包括內(nèi)部負(fù)載電阻，因此使用分立器件R一個(gè)和 R b .在右邊的例子中，MAX4173TEUT+T具有一個(gè)內(nèi)部12 kΩ負(fù)載電阻，用于將其電流輸出轉(zhuǎn)換為電壓。

圖 1：使用兩個(gè)單向電流檢測(cè)放大器的雙向電流檢測(cè)應(yīng)用可以使用外部負(fù)載電阻（左）或內(nèi)部負(fù)載電阻（右）來(lái)實(shí)現(xiàn)。（圖片來(lái)源：ADI公司）

雖然不需要兩個(gè)負(fù)載電阻，但MAX4173TEUT+T電路在其反饋中增加了一個(gè)1納法拉（nF）電容，以穩(wěn)定B部分的控制環(huán)路。在這兩種情況下，兩個(gè)CSA的輸出電流均采用[MAX4230AXK+T]通用運(yùn)算放大器組合。

這兩種方法的零件數(shù)量都高于使用單個(gè)雙向 CSA 所需的零件數(shù)量。除了更多的零件數(shù)量外，印刷電路板布局也更加復(fù)雜，因?yàn)閮蓚€(gè)單向CSA都需要放置在靠近V的位置意義電阻器。

使用雙向 CSA 的應(yīng)用示例

雙向 CSA 是多功能設(shè)備，可用于各種應(yīng)用。例如，可以在三相伺服電機(jī)系統(tǒng)中使用兩個(gè)CSA來(lái)確定所有三相的瞬時(shí)繞組電流，而無(wú)需進(jìn)一步計(jì)算或提供有關(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，可以在第 1 相檢測(cè)電阻上連接兩個(gè)雙向 CSA（R 感φ1 ） 和階段 2 （R 感φ2 ） 以產(chǎn)生表示第三相繞組中電流的電壓。（圖片來(lái)源：ADI公司）

基爾霍夫定律指出，前兩個(gè)繞組中的電流之和等于第三個(gè)繞組中的電流。電路使用兩個(gè)[MAX40056TAUA+]雙向CSA測(cè)量[MAX44290ANT+T]通用運(yùn)算放大器中的兩相電流。由于所有三個(gè)放大器具有相同的基準(zhǔn)電壓，因此會(huì)產(chǎn)生比率測(cè)量。

在另一個(gè)示例中，D 類(lèi)音頻放大器（單個(gè)雙向 CSA，例如德州儀器的 [INA253A1IPW]可用于精確測(cè)量揚(yáng)聲器負(fù)載電流（圖 3）。

Figure 3: In Class-D audio designs, a bidirectional CSA (INA253) can be used to implement speaker enhancements and diagnostics. (Image source: Texas Instruments)

Real-time measurements of speaker load current can be used for diagnostics and to optimize amplifier performance by quantifying key speaker parameters and changes in those parameters including:

• Coil resistance* Impedance of the speaker* Resonant frequency and peak impedance at the resonant frequency* Real-time ambient temperature of the speaker

Board layout tips and current shunt considerations

在實(shí)現(xiàn)電流檢測(cè)電路時(shí)，寄生電阻和電感是一個(gè)問(wèn)題。此外，過(guò)高的焊料和寄生走線電阻會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)誤差。通常使用四端子電流檢測(cè)電阻。如果不能選擇四端子電阻，則應(yīng)遵循開(kāi)爾文印刷電路板布局技術(shù)（圖 4）。

圖 4：開(kāi)爾文檢測(cè)走線應(yīng)盡可能靠近電流檢測(cè)電阻上的焊接觸焊盤(pán)。（圖片來(lái)源：ADI公司）

將開(kāi)爾文檢測(cè)走線盡可能靠近電流檢測(cè)電阻的焊接接觸點(diǎn)，可最大程度地降低寄生電阻。開(kāi)爾文檢測(cè)走線的間距越寬，就會(huì)引入由額外的走線電阻引起的測(cè)量誤差。

檢測(cè)電阻的選擇是最小化寄生電感的一個(gè)重要方面。封裝電感應(yīng)最小化，因?yàn)殡妷赫`差與負(fù)載電流成正比。通常，繞線電阻器具有最高的電感，標(biāo)準(zhǔn)金屬膜器件具有中等電感。對(duì)于電流檢測(cè)應(yīng)用，通常建議使用低電感金屬膜電阻器。

分流電阻的值是動(dòng)態(tài)范圍和功耗之間的權(quán)衡。對(duì)于高電流檢測(cè)，建議使用低值分流器以最小化散熱（I2R）。在低電流檢測(cè)中，可以使用較高的電阻值來(lái)最小化失調(diào)電壓對(duì)檢測(cè)電路的影響。

大多數(shù)CSA依靠外部分流器來(lái)測(cè)量電流，但也有一些CSA使用內(nèi)部分流器。雖然使用內(nèi)部分流器可以產(chǎn)生更緊湊的設(shè)計(jì)，組件更少，但涉及一些權(quán)衡，包括：靈活性較低，因?yàn)榉至髌鞯闹凳穷A(yù)先確定的，與外部分流CSA相比，需要更高的靜態(tài)電流，并且可以測(cè)量的電流量受到內(nèi)分流器能力的限制。

高壓精密雙向CSA

意法半導(dǎo)體的[TSC2011IST]利用其精密特性，使用低電阻外部分流器，使設(shè)計(jì)人員能夠最大限度地降低功耗（圖5）。這種雙向 CSA 設(shè)計(jì)用于在數(shù)據(jù)采集、電機(jī)控制、電磁閥控制、儀器儀表、測(cè)試和測(cè)量以及過(guò)程控制等應(yīng)用中提供精確的電流測(cè)量。

圖 5：TSC2011IST 包括一個(gè)關(guān)斷引腳 （SHDN），可最大限度地節(jié)省能源，工作溫度范圍為 ?40 至 125°C。 （圖片來(lái)源：意法半導(dǎo)體）

TSC2011IST 具有 60 伏/伏 （V/V） 的放大器增益、集成電磁干擾 （EMI） 濾波器和 2 千伏 （kV） 人體模型 （HBM） 靜電放電 （ESD） 容差（根據(jù) JEDEC 標(biāo)準(zhǔn) JESD22-A114F）。TSC2011 可以檢測(cè)低至 10 毫伏 （mV） 滿量程的壓降，以提供一致的測(cè)量結(jié)果。其 750 kHz 的增益帶寬積和 7.0 伏/微秒 （V/μs） 的壓擺率相結(jié)合，可確保高精度和快速響應(yīng)。

設(shè)計(jì)人員可以使用 [STEVAL-AETKT1V2]評(píng)估板快速開(kāi)始使用 TSC2011IST（圖 6）。它可以檢測(cè) -20 至 +70 V 寬共模電壓范圍內(nèi)的電流。TSC2011IST 具有以下特點(diǎn)：

• 增益誤差：0.3%（最大值）* 失調(diào)漂移：5 μV/°C 最大值* 增益漂移：百萬(wàn)分之十 （ppm）/°C 最大值* 靜態(tài)電流：關(guān)斷模式下為 20 微安 （μA）

圖 6：STEVAL-AETKT1V2 評(píng)估板包括主板和包含 TSC2011IST 的子卡。（圖片來(lái)源：意法半導(dǎo)體）

內(nèi)部分流雙向 CSA

德州儀器 （TI） 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)人員提供了增強(qiáng)型 PWM 抑制電路，以抑制較大的 dv/dt 信號(hào)，從而為電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電磁閥控制等應(yīng)用實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)連續(xù)電流測(cè)量。該內(nèi)部放大器采用精密零漂移拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，共模抑制比 （CMRR） 為 >120 分貝 （dB） DC CMRR，在 90 kHz 時(shí)為 50 dB 交流 CMRR。

Figure 7: The INA253A1IPW bidirectional CSA, shown here in a typical application, has an internal current shunt and can measure ±15 A of continuous current from –40 to +85°C. (Image source: Texas Instruments)

Designers can accelerate the development of system designs based on the INA253A1IPW by using the test points on the associated INA253EVM evaluation board to access the CSA’s functional pins (Figure 8). The two-layer board measures 2.4 × 4.2 inches and is fabricated with 1 ounce (oz) copper.

Figure 8: The two-layer INA253EVM measures 2.4 × 4.2 inches and is fabricated with 1 oz copper. The bottom layer has no components but contains a solid copper ground plane that provides a low-impedance path for return currents. (Image source: Texas Instruments)

Minimal support circuitry is included on the pc board, and functions can be reconfigured, removed, or bypassed as needed. The INA253EVM provides the following features:

• Three INA253A1IPW devices* Easy access to all pins* Board layout and construction that supports ±15 A of current through the INA253 CSAs across the full –40 to +85°C temperature range* Place holders on the pc board for configurations other than the default configuration

The bottom layer has no components but contains a solid copper ground plane that provides a low-impedance path for return currents.

AEC-Q100 qualified bidirectional CSA

為了監(jiān)視全橋電機(jī)控制、開(kāi)關(guān)電源、螺線管和電池組以及汽車(chē)應(yīng)用中的電流，設(shè)計(jì)人員可以使用ADI公司的[LT1999IMS8-20#TRPBF]（圖9）。

圖 9：LT?1999IMS8-20#TRPBF 是一款全橋電樞電流監(jiān)視應(yīng)用中的雙向 CSA。（圖片來(lái)源：ADI公司）

LT?1999IMS8-20#TRPBF 專(zhuān)為汽車(chē)應(yīng)用提供 AEC-Q100 認(rèn)證，并包括一種停機(jī)模式以最大限度地降低功耗。該器件使用外部分流器來(lái)測(cè)量流向和流向。它產(chǎn)生一個(gè)比例輸出電壓，該輸出電壓以電源電壓和地之間的中間為基準(zhǔn)。設(shè)計(jì)人員可以選擇施加外部電壓來(lái)設(shè)置參考電平。

LT1999IMS8-20#TRPBF 進(jìn)入低功耗關(guān)斷狀態(tài)，當(dāng) V SHDN （引腳 8） 被驅(qū)動(dòng)到距地 0.5 伏以內(nèi)。如果在 1 至 0 伏范圍內(nèi)偏置（未施加差分電壓），輸入引腳 （+IN 和 –IN） 將消耗大約 80 納安 （nA） 的電流。EMI 敏感性降低一個(gè)內(nèi)部 1^圣^階式差分低通EMI靜噪濾波器，有助于抑制超出器件帶寬的高頻信號(hào)。

為了試驗(yàn)LT1999系列，ADI公司提供了[1698A]演示板。該板放大板載電流檢測(cè)電阻兩端的壓降，并產(chǎn)生與流過(guò)電阻器的電流成比例的雙向輸出電壓。設(shè)計(jì)人員可以從三個(gè)固定增益選項(xiàng)中進(jìn)行選擇;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

為了在控制螺線管和電機(jī)等感性負(fù)載的設(shè)計(jì)中更好地抑制共模輸入PWM邊沿，設(shè)計(jì)人員可以使用MAX40056TAUA+（圖10）。前面在圖2中提到的MAX40056TAUA+為雙向CSA，可以處理±500 V/μs或更高的壓擺率。它的典型 CMRR 為 60 dB（50 伏，±500 伏/μs 輸入）和 140 dB 直流。其共模范圍為 -0.1 V 至 +65 V，包括低至 -5 V 的感應(yīng)反沖電壓保護(hù)。

Maxim MAX40056TAUA+示意圖包括一個(gè)內(nèi)部1.5V基準(zhǔn)

圖 10：MAX40056TAUA+ 包括一個(gè)內(nèi)部 1.5 V 基準(zhǔn)、增強(qiáng)型 PWM 抑制和集成的內(nèi)部窗口比較器，用于檢測(cè)正負(fù)過(guò)流情況（左下角，由 CIP 輸入驅(qū)動(dòng)）。（圖片來(lái)源：ADI公司）

MAX40056TAUA+具有內(nèi)部1.5V基準(zhǔn)，可用于多種用途，包括：

• 驅(qū)動(dòng)差分模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器* 偏移輸出以顯示檢測(cè)電流的方向* 將電流源入外部負(fù)載以減輕性能降低

當(dāng)需要更高的滿量程輸出擺幅或電源電壓高于 3.3 V 時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以使用更高的外部基準(zhǔn)電壓源覆蓋內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源。最后，設(shè)計(jì)人員可以使用內(nèi)部或外部基準(zhǔn)設(shè)置集成過(guò)流比較器的跳閘閾值，從而提供過(guò)流故障的即時(shí)信號(hào)。

[MAX40056TAUA+的MAX40056EVKIT#] 集成/MAX40056EVKIT/9838624）評(píng)估板為設(shè)計(jì)人員開(kāi)發(fā)高精度、高壓雙向CSA應(yīng)用（如電磁閥驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)控制）提供了經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的平臺(tái)。

結(jié)論

從汽車(chē)、工廠自動(dòng)化和機(jī)器人到服務(wù)器電源管理、D 類(lèi)音頻放大器和醫(yī)療系統(tǒng)，各種應(yīng)用都需要快速準(zhǔn)確的電流監(jiān)控。在許多情況下，需要雙向電流檢測(cè)。

幸運(yùn)的是，設(shè)計(jì)人員可以從各種集成的雙向CSA及其相關(guān)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)中進(jìn)行選擇，以快速有效地實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的雙向電流監(jiān)控。