硬件電路設(shè)計之電流采樣電路設(shè)計

1 簡介

電流檢測技術(shù)常用于 高壓短路保護(hù) 、 電機(jī)控制 、 DC/DC換流器 、 系統(tǒng)功耗管理 、 二次電池的電流管理 、蓄電池管理等電流檢測等場景。對于大部分應(yīng)用，都是通過間接測量電阻兩端的壓降來獲取待測電路電流大小的，如下圖所示。在要求不高的情況下，電流檢測電路可以通過運(yùn)放放大轉(zhuǎn)換成電壓，反推算負(fù)載的電流大小。

2 采樣電阻

本節(jié)主要說明一下二端采樣電阻和四端采樣電阻的一些差別：

二端采樣電阻

這種采樣電阻僅有兩個PIN腳，在進(jìn)行PCB走線時，需要特別注意，后面章節(jié)會進(jìn)行詳細(xì)說明。

一般采用較大的電阻值（通常為0.01 Ω~100Ω ），優(yōu)點(diǎn)是 結(jié)構(gòu)簡單 、 成本低 ， 適合于小電流測量 。

四端采樣電阻

這種采樣電阻具有四個PIN腳，具體電阻見下

一般采用小電阻值（通常為 1Ω以下 ），優(yōu)點(diǎn)是 測量精度高 、 溫度系數(shù)低 ，可以在電路中實(shí)現(xiàn)較大電流的 準(zhǔn)確測量 。

以Vishay的WSLP2726L5000FEA為例，其電阻值為0.0005Ω，溫度系數(shù)低至75 PPM / C，特別適合在小電流電路中使用。

3 采樣電路設(shè)計

芯片介紹

選用的芯片是INA240。INA240 器件是一款電壓輸出、電流檢測放大器，具有 增強(qiáng)型PWM抑制功能，可在獨(dú)立于電源電壓的 –4V 至 80V 寬共模電壓范圍內(nèi)檢測分流器電阻上的壓降。負(fù)共模電壓允許器件的工作電壓低于接地電壓，從而適 應(yīng)典型螺線管應(yīng)用的反激周期。增強(qiáng)型 PWM 抑制功能 可為使用脈寬調(diào)制 (PWM) 信號的系統(tǒng)（例如，電機(jī)驅(qū) 動和螺線管控制系統(tǒng)）中的較大共模瞬變 (ΔV/Δt) 提 供高水平的抑制。憑借該功能，可精確測量電流，而不 會使輸出電壓產(chǎn)生較大的瞬變及相應(yīng)的恢復(fù)紋波。這個系列對應(yīng)的芯片有INA240A1、INA240A2、INA240A3、INA240A4，其主要區(qū)別在于放大倍數(shù)，具體見下：

電路設(shè)計

采樣電阻的大小為0.003R，參考電壓值為2.5V（5V/2 = 2.5V），其放大倍數(shù)為20V/V。具體計算過程后面章節(jié)會詳細(xì)描述，此處不再贅述。

內(nèi)部的功能方框圖

基準(zhǔn)電壓

具體在電路設(shè)計中使用哪種基準(zhǔn)電壓，與采樣電流方向/大小以及ADC的參考電壓有關(guān)系。

1、以接地為基準(zhǔn)的輸出

2、以VS為基準(zhǔn)的輸出

3、外部基準(zhǔn)輸出

4、1/2VS電壓輸出

5、中外部基準(zhǔn)輸出

6、使用電阻分壓器設(shè)置基準(zhǔn)

4 采樣電路計算過程

此處以STM32和FPGA計算為例子：

STM32電流采樣計算

STM32的ADC是12位的，參考電壓為3.3V，使用的芯片為INA240A1，采樣電阻的阻值為0.05Ω，AD采樣的值為2651，那么實(shí)際上流經(jīng)板載的電流為多少？

FPGA電流采樣計算

FPGA的ADC是10位的，參考電壓為1V，使用的芯片為INA240A1，采樣電阻的阻值為0.01Ω，AD采樣的值為765，那么實(shí)際上流經(jīng)板載的電流為多少？

5 卡爾文連接

布局通常采用開爾文連接方式，它是一種電阻抗或電壓測量技術(shù)，使用單獨(dú)的載電流和電壓檢測，相比傳統(tǒng)的兩個終端（ 2T）傳感能夠進(jìn)行更精確的測量。四線檢測的關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)是分離的電流施加單元和電壓測量單元，消除了布線和接觸電阻的阻抗。

對于電流源而言，Rl電阻和測量電阻是串聯(lián)的，是沒有影響的，我們依然可以保證通過電阻R的電流為電流源施加的電流。對于電壓測量單元，通常輸入端都是高阻抗輸入，達(dá)到了兆歐姆甚至更高級別，這個時候，流過Rl的電流很小，則Rl兩端的電壓差很很小，所以，我們測量的電壓就近似等于電阻兩端的實(shí)際電壓。

計算過程：

電流源在采樣電阻R1上產(chǎn)生的壓降為：

采樣模塊的輸入電阻接近無窮，假設(shè)采集的電壓為U，則采樣電流在采樣電阻R1上產(chǎn)生的壓降為：

則采樣電流I為：

以上就是開爾文測試原理，這種檢測方式可以完全規(guī)避走線或者線纜對檢測產(chǎn)生的影響?，F(xiàn)在的器件封裝越做越小，要實(shí)現(xiàn)開爾文，對于測試座的要求也會越來越高，而且，隨著電流的增大，要求會更高。中測的時候，如果我們也要實(shí)現(xiàn)開爾文測量，更要注意影響。通常探針的接觸電阻，有幾百毫歐到幾歐姆，甚至幾十歐姆，而探針能容納的最大電流也只有幾百毫安左右。我們必須清楚這些注意事項，采用合適的方案，以達(dá)到最好的測量效果。

6 注意事項

• 采樣電阻的電阻值應(yīng)根據(jù)被測電路的特性選擇合適的數(shù)值。
• 采樣電阻的功率要與被測電路的功率匹配，避免采樣電阻受到過大的電流或電壓而燒毀。
• 采樣電阻的電阻值不應(yīng)過小，否則會引起采樣電阻本身的熱失控，影響測量精度。
• 在測量直流電流時，采樣電阻的兩端不應(yīng)短路，以免燒壞電表或測量儀。
• 在測量交流電流時，應(yīng)選用耐高溫、高頻、低失真的采樣電阻。
• 采樣電阻的引線要注意長度和位置，盡量避免電源線、信號線等產(chǎn)生干擾。
• 采樣電阻的接線要牢固可靠，以避免因接觸不良或接線松動等問題導(dǎo)致測量誤差。
• 采樣電阻的使用壽命有限，需要定期檢查和更換。