用一個具體的例子分析在電壓軌上完成電流檢測的幾種不同方法

本文用一個具體的例子比較在電壓軌上完成電流檢測的幾種不同方法。第一種方法是使用帶分立電阻器的單運放差分放大器；第二種方法是用V+而不是地作為參考軌；第三種方法在IC解決方案中很常見，在這種方案中，晶體管和運算放大器一起工作，以接地參考電流測量。

作為EDN“設(shè)計實例”欄目的編輯，我會面對很多設(shè)計投稿，有好的，也有不太好的。最近因種種原因棄掉的一篇文章講到的高端電流檢測電路，實現(xiàn)起來就有諸多問題。這讓我想到了在電壓軌上實現(xiàn)電流檢測的不同方法。

絕大多數(shù)直流電流檢測電路的核心設(shè)計思路，是從供電線路中的電阻下手（盡管磁場感應(yīng)是個好選擇，尤其是在電流較高的情況下）。人們只需簡單地測量電阻兩端的電壓降，并根據(jù)需要調(diào)節(jié)阻值來讀取電流（E = I×R，如果不包含這個，有人會抱怨）。如果檢測電阻在接地支路上，那么方案就是個簡單的運放電路。一切都以地為參考，只需特別注意接地布局中的小電壓降就行了。

但通常首選方法是將檢測電阻置于電源線中。為什么？因為接地可能不可行（例如，通過底盤接地汽車電子產(chǎn)品），或者你可能不希望設(shè)備接地與供電接地不同（這可能導(dǎo)致接地環(huán)路和其它問題）。那么，該怎么做？

最顯而易見的方法是在檢測電阻兩端跨接一個差分或儀表放大器（inamp），但實際上這算不上好方法。為了準確檢測電流，通常需要極高的CMR（共模抑制），既昂貴又容易漂移。

為什么這么說呢？我們來看一個設(shè)計示例：0-10A、12V標稱值、5mΩ的感測電阻。

圖1：最明顯的高端電流檢測方案使用差分放大器。

這種方案甚至都不需考慮使用分立電阻，除非它們是精密匹配網(wǎng)絡(luò)的一部分（因此，當然也就不是真正分立的）。對于1V的電源電壓偏移和80dB的差分放大器CMRR（這意味著約0.01％的電阻匹配），你會看到相當于20mA的電流漂移（1V變化、80dB的CMRR導(dǎo)致輸入0.1mV偏移，再除以5mΩ檢測電阻的5mV/A標定）。

對于0-12V電源，在電壓范圍內(nèi)乘以12：電壓范圍內(nèi)240mA的偏移電流。

注意，真正的三運放儀表放大器對電阻匹配的靈敏度比單運放差分放大器低。但是，通常有更好的方法。

上文提到的“設(shè)計實例”使用了帶有分立電阻的單運放差分放大器。實際上，一個電阻器可以用一個電位器進行調(diào)整，我最初認為它用于CMRR，結(jié)果卻是增益調(diào)整！如果電源電壓穩(wěn)定，從某種意義上說，這種方法可行——但這絕不是一個好主意。

第二種高端檢測方法需要一點橫向思維。我改變思想，用V+而不是地作參考軌。這在概念上就像是負電壓源的低端檢測，如果你能擺平它，這就是個很好的方案。

圖2：以V+為參考，對輸出做進一步處理（例如，比較器）。R4可選，用于保護。

第三種方法現(xiàn)在在IC方案中很常見，它用晶體管和運算放大器一起為電流測量提供地參考。當我想到倒置運放時，并不知道這個設(shè)計，這可能是件好事，因為節(jié)省了一只晶體管。

圖3：ST的TSC103在回路中使用了一個BJT。

圖4：Linear的LTC6102使用一個MOSFET。

意法半導(dǎo)體（ST）、美信（Maxim）和凌力爾特（Linear）都提供此類器件，但你自己也很容易實現(xiàn)這樣的電路。