高端電流檢測(cè)測(cè)量：電路和原理

本應(yīng)用筆記介紹了使用電流檢測(cè)放大器、差分放大器和儀表放大器測(cè)量智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦和USB配件中的電池充電和放電電流。它將高端電流檢測(cè)放大器與低側(cè)差分放大器進(jìn)行比較，并推薦電流檢測(cè)電阻的選擇標(biāo)準(zhǔn)。本文介紹了高壓斷路器，用于在故障和短路時(shí)提供系統(tǒng)過(guò)流保護(hù)。包括可變線性電流源和可編程0–5A電流源的應(yīng)用電路。

電流測(cè)量（即監(jiān)控流入和流出電子電路的電流）是設(shè)計(jì)人員的一項(xiàng)基本技能，在廣泛的應(yīng)用中是必需的。應(yīng)用示例包括過(guò)流保護(hù)、4–20mA 系統(tǒng)、電池充電器、高亮度 LED 控制、GSM 基站電源和 H 橋電機(jī)控制，您必須知道流入和流出可充電電池的電流比率（即儀表功能）。

隨著越來(lái)越多的應(yīng)用變得便攜，對(duì)專(zhuān)用電流監(jiān)測(cè)器的需求也在增加，這些電流監(jiān)測(cè)器以小型封裝和低靜態(tài)電流完成其任務(wù)。以下討論涵蓋低端和高邊電流監(jiān)視器，并包括其架構(gòu)和應(yīng)用。

高邊還是低邊顯示器？

大多數(shù)電流測(cè)量應(yīng)用采用低邊原理，其中檢測(cè)電阻與接地路徑串聯(lián)（圖 1），或采用高端原理，其中檢測(cè)電阻與熱線串聯(lián)（圖 2）。這兩種方法在不同領(lǐng)域進(jìn)行了權(quán)衡。低側(cè)電阻會(huì)在接地路徑中增加不需要的外來(lái)電阻。但是，與高端電阻相關(guān)的電路必須處理相對(duì)較大的共模信號(hào)。此外，如果圖1中的運(yùn)算放大器的GND引腳以R的正極為參考。意義，則其共模輸入范圍必須擴(kuò)展到零以下，即 GND - （R意義× I負(fù)荷).

圖1.低邊電流監(jiān)視器的原理。

圖2.高端電流監(jiān)視器示例。

但是，不要讓低邊測(cè)量電路的簡(jiǎn)單性導(dǎo)致忽視高邊方法的優(yōu)點(diǎn)。各種故障可以繞過(guò)低側(cè)監(jiān)視器，從而使負(fù)載承受危險(xiǎn)且未檢測(cè)到的應(yīng)力（圖 3）。請(qǐng)注意，通過(guò)路徑 A 連接的負(fù)載受到監(jiān)視，但通過(guò)路徑 B 的意外連接會(huì)繞過(guò)監(jiān)視器。另一方面，直接連接到電源的高邊監(jiān)視器可以檢測(cè)任何下游故障并觸發(fā)適當(dāng)?shù)募m正措施。高邊監(jiān)視器也非常適合底盤(pán)用作接地電位的汽車(chē)應(yīng)用。

圖3.如果負(fù)載意外接地，路徑 B 可能會(huì)承載危險(xiǎn)的高電流。

傳統(tǒng)高邊監(jiān)聽(tīng)

以前，這兩種方法的許多實(shí)現(xiàn)都是基于分立元件或半分立電路。這種高邊監(jiān)視器最簡(jiǎn)單的形式需要一個(gè)精密運(yùn)算放大器和幾個(gè)精密電阻。高邊測(cè)量的一種常見(jiàn)方法是使用經(jīng)典的差分放大器，它用作增益放大器和從高端到地的電平轉(zhuǎn)換器（圖 4）。雖然這種分立電路被廣泛使用，但它有三個(gè)主要缺點(diǎn)：

輸入電阻（等于R1）相對(duì)較低。

輸入通常表現(xiàn)出較大的輸入電阻差異。

電阻必須匹配得非常好才能獲得可接受的共模抑制比（CMRR）：任何電阻值的偏差為0.01%，CMRR降至86dB，0.1%偏差將其降低至66dB，偏差為1%則降至46dB。

高邊電流監(jiān)測(cè)迫使為此目的開(kāi)發(fā)了許多新的集成電路。另一方面，低邊測(cè)量并沒(méi)有推動(dòng)許多新的、有趣的IC的發(fā)展。

圖4.差分放大器是高端電流測(cè)量的基本元件。

集成差分放大器

由于引入了許多包含精密放大器和良好匹配電阻的IC，差分放大器在高端電流測(cè)量中的使用變得更加方便。這些器件提供大約 105dB 的 CMRR。例如MAX4198/MAX4199（圖5）。這些IC采用8引腳μMAX封裝，可實(shí)現(xiàn)110dB的典型CMRR，增益誤差優(yōu)于0.01%。

圖5.集成差分放大器（MAX4198/MAX4199）具有非常高的CMRR。

專(zhuān)用高邊監(jiān)視器

另一種高端電流測(cè)量方法是包含執(zhí)行測(cè)量所需的所有功能的IC。它們?cè)诖嬖诟哌_(dá) 32V 的共模電壓時(shí)檢測(cè)高端電流，并提供與目標(biāo)電流成比例的以地為參考的電流或電壓源輸出。電源管理、電池充電和其他必須精確測(cè)量或控制電流的應(yīng)用都可以從這些專(zhuān)用電流檢測(cè)放大器中受益。

Maxim的高邊電流檢測(cè)放大器采用電流檢測(cè)電阻，位于電源正端和監(jiān)控電路的電源輸入之間。這種布置避免了接地層中的外來(lái)電阻，大大簡(jiǎn)化了布局，并且總體上提高了整體電路性能。Maxim的單向和雙向電流檢測(cè)IC包括帶或不帶內(nèi)部檢測(cè)電阻的雙向器件。雙向放大器包括一個(gè)用于指示電流方向的符號(hào)引腳。

這些單向和雙向電流檢測(cè)IC包括具有可調(diào)增益、+20V/V、+50V/V或+100V/V固定內(nèi)部增益、內(nèi)部增益以及單路或雙路比較器的型號(hào)。它們采用小型封裝，可滿足緊湊型應(yīng)用的嚴(yán)格要求。

Maxim所有高邊IC監(jiān)測(cè)器的共同點(diǎn)是能夠提供以地為參考的電壓或電流輸出，只需很少或無(wú)需額外的元件。輸出信號(hào)與測(cè)得的高端電流成正比，其共模電壓可高達(dá)32V。圖6至圖9顯示了集成高邊電流監(jiān)視器的一些可用架構(gòu)。注意，MAX4172電流源輸出與R兩端的電壓成正比意義.

新型高邊監(jiān)視器的公式表明，外部電阻對(duì)CMRR的影響不再是問(wèn)題，因?yàn)镸RR（通常>90dB）現(xiàn)在完全由集成放大器決定。將電流測(cè)量功能集成到單個(gè)IC中具有以下優(yōu)點(diǎn)：

對(duì)有源和無(wú)源集成組件的嚴(yán)格公差

出色的溫度系數(shù) （TC）

體積小

低功耗

易于使用

圖6.這是雙向高邊電流監(jiān)測(cè)器（MAX9928/MAX9929）的簡(jiǎn)化原理圖，包括用于電流方向的SIGN輸出。

圖7.單向高邊電流監(jiān)測(cè)器（MAX4372）。

圖8.另一個(gè)單向高邊電流監(jiān)測(cè)器（MAX4172）。

圖9.另一種用于單向高邊電流監(jiān)測(cè)器的架構(gòu)（MAX4173）。

選擇RSENSE時(shí)的注意事項(xiàng)

在設(shè)計(jì)任何類(lèi)型的電流監(jiān)測(cè)器時(shí)，仔細(xì)考慮分流電阻器（RSENSE）是一個(gè)重要而必要的部分。RSENSE的選擇應(yīng)遵循以下標(biāo)準(zhǔn)：

電壓損失：高RSENSE值會(huì)導(dǎo)致電源電壓因IR損失而降低。最低的RSENSE值給出最小的電壓損失。

精度：高RSENSE值使您能夠更準(zhǔn)確地測(cè)量低電平電流，因?yàn)殡妷浩坪洼斎肫秒娏髌葡鄬?duì)于感測(cè)電壓不那么重要。

效率和功耗：在高電流水平下，RSENSE中的I2R損耗可能很大，因此在選擇電阻器值和功耗額定值（瓦數(shù)）時(shí)要考慮到這一點(diǎn)。感應(yīng)電阻器中的過(guò)熱也會(huì)導(dǎo)致其值漂移。

電感：如果ISENSE具有較大的高頻分量，則RSENSE必須具有較低的電感。線繞電阻器具有最高的電感。金屬膜電阻器稍好一些，但建議使用低電感金屬膜電阻器（可用值低于1.5Ω）。與金屬膜和線繞類(lèi)型（即，繞芯螺旋纏繞）不同，低電感金屬膜電阻器由金屬的直帶組成。

成本：對(duì)于RSENSE成本存在問(wèn)題的應(yīng)用，使用PCB跡線作為感測(cè)電阻器（圖10）是一種替代方法。由于銅電阻不準(zhǔn)確，您需要使用電位計(jì)調(diào)整滿刻度電流值。在經(jīng)歷廣泛溫度變化的系統(tǒng)中，銅的電阻溫度系數(shù)相當(dāng)高（約0.4%/°C）。

圖 10.該高邊電流監(jiān)測(cè)器（MAX4172）采用PCB走線用于R。意義.

高邊監(jiān)視器應(yīng)用

圖11中的電路是一個(gè)可變線性電流源。IC1將R1電流轉(zhuǎn)換為成比例的輸出電壓，使穩(wěn)壓器（IC2）能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出電流。要設(shè)置特定的、受監(jiān)管的 I外電平在 0mA 和 500mA 之間，在 I 時(shí)施加 5V 至 0V控制（5V 組 I外= 0mA，0V 設(shè)置 I外= 500mA）。作為替代方案，您可以引入如圖所示的D/A轉(zhuǎn)換器，以提供I的數(shù)字控制外.對(duì)于12位分辨率（60μA/LSB），DAC可以是并行輸入MAX530或串行輸入MAX531。對(duì)于10位分辨率（250μA/LSB），DAC可以是并行輸入MAX503或串行輸入MAX504。

圖 11.可變線性電流源（MAX603）。

圖12電路為0–5A可編程可變電流源。該器件可產(chǎn)生 0A 至 5A 電流，順從范圍為 4V 至 28V，具有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)：12 位 D/A 轉(zhuǎn)換器使其可進(jìn)行數(shù)字編程，開(kāi)關(guān)模式降壓穩(wěn)壓器 （IC1） 使其比采用線性調(diào)整管的替代電流源效率更高。應(yīng)用包括過(guò)流保護(hù)、4–20mA 系統(tǒng)、電池充電器、高亮度 LED 控制、GSM 基站電源和 H 橋電機(jī)控制。

圖 12.0–5A可編程電流源（MAX4173）。

通用串行總線（USB）的廣泛使用導(dǎo)致2.7V至5.5V范圍內(nèi)的電源軌出現(xiàn)了各種過(guò)流保護(hù)電路，但很少有產(chǎn)品可用于高于該范圍的電壓。圖13中的斷路器采用高達(dá)26V的電源電壓工作，并在編程電流門(mén)限下跳閘。

圖 13.高壓斷路器（MAX4172）保護(hù)電壓至26V。

審核編輯：郭婷