使用集成雙向電流檢測放大器實現(xiàn)有效的電流監(jiān)控

越來越多的應(yīng)用需要快速準(zhǔn)確地進(jìn)行電流監(jiān)控，包括自動駕駛汽車、工廠自動化和機器人技術(shù)、通信、服務(wù)器電源管理、D 類音頻放大器和醫(yī)療系統(tǒng)。在許多這樣的應(yīng)用中，都要求進(jìn)行雙向電流檢測，而且需要以最小的成本有效地實現(xiàn)這一目的。

雖然可以使用一對單向電流檢測放大器 (CSA) 構(gòu)建一個雙向電流檢測放大器 (CSA)，但構(gòu)建過程可能復(fù)雜、耗時。該過程會涉及到將兩個輸出合并成一個單端輸出的獨立軌至軌運算放大器，或者在微控制器上使用兩個模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 輸入，后者需要額外的微控制器編碼和機器周期。最后，使用兩個單向 CSA 構(gòu)建雙向 CSA——再加上將其整合為雙向解決方案所需的額外部件，這將消耗更多的電路板空間，而更多的器件會降低可靠性，增大庫存需求。最終可能導(dǎo)致成本和設(shè)計進(jìn)度雙雙超出預(yù)期。

為避免上述情況發(fā)生，設(shè)計人員可以采用集成、高速、精確的雙向 CSA。設(shè)計人員可以選擇帶有內(nèi)部低電感分流電阻的集成雙向 CSA 構(gòu)成最緊湊的解決方案，或者選擇使用外部分流器的 CSA 實現(xiàn)更靈活的設(shè)計和布局。

本文將回顧雙向 CSA 的實施要求和更高集成度方法的優(yōu)勢。然后以來自 STMicroelectronics、Texas Instruments, 和 Analog Devices 的器件為例進(jìn)行詳細(xì)介紹，其中包括各器件的關(guān)鍵參數(shù)和各自的不同特征。最后，本文將展示如何使用這些器件開始設(shè)計，包括相關(guān)的參考設(shè)計/評估套件/開發(fā)套件，以及設(shè)計和實施技巧。

如何使用兩個單向 CSA

雙向 CSA 電路可以用兩個單向 CSA 以多種方式構(gòu)建（圖 1）。左側(cè)示例中使用的 Analog Devices MAX4172ESA+T 不含內(nèi)部負(fù)載電阻，因此使用分立器件 Ra 和 Rb。在右側(cè)示例中，MAX4173TEUT+T 內(nèi)含一個 12 kΩ 負(fù)載電阻，可將其電流輸出轉(zhuǎn)換成電壓。

圖 1：可通過使用外部負(fù)載電阻或內(nèi)部負(fù)載電阻（右）的方式實現(xiàn)由兩個單向電流檢測放大器構(gòu)成的雙向電流檢測應(yīng)用。（圖片來源：Analog Devices）

雖然不需要兩個負(fù)載電阻，但 MAX4173TEUT+T 電路的反饋中增加了一個 1 nF 電容，以穩(wěn)定 B 部分的控制回路。在這兩種情況下，使用 MAX4230AXK+T 通用運算放大器將來自兩個 CSA 的輸出電流合并。

這兩種方法的零件數(shù)都高于使用單一雙向 CSA 時的零件數(shù)量。除了零件數(shù)量較多外，由于兩個單向 CSA 需要放置在靠近 VSENSE 電阻的地方，會導(dǎo)致 PC 板布局更加復(fù)雜。

使用雙向 CSA 的應(yīng)用實例

雙向 CSA 是多功能器件，應(yīng)用廣泛。例如，在三相伺服電機系統(tǒng)中，可使用兩個 CSA 來確定所有三相的瞬時繞組電流，而不需要進(jìn)行任何進(jìn)一步計算，也不需要任何有關(guān)脈寬調(diào)制 (PWM) 脈沖相位或占空比的信息（圖 2）。

圖 2：在三相伺服電機應(yīng)用中，兩個雙向 CSA 可以連接相位 1 (RSENSEΦ1) 和相位 2 （RSENSEΦ2）的檢測電阻，以產(chǎn)生可以代表第三相繞組中的電流的電壓。（圖片來源：Analog Devices）

根據(jù)基爾霍夫定律，前兩個繞組的電流之和等于第三個繞組的電流。該電路使用兩個 MAX40056TAUA+ 雙向 CSA 來測量兩相電流，并由 MAX44290ANT+T 通用運算放大器進(jìn)行電流求和。由于所有三個放大器都有相同的參考電壓，因此產(chǎn)生了比率測量法。

在另一個示例中，一個 D 類音頻放大器，一個雙向 CSA，如 Texas Instruments 的 INA253A1IPW 可以用來準(zhǔn)確測量揚聲器的負(fù)載電流（圖 3）。

圖 3：在 D 類音頻設(shè)計中，可使用雙向 CSA (INA253) 對揚聲器進(jìn)行增強和診斷。（圖片來源：Texas Instruments）

揚聲器負(fù)載電流的實時測量值可用于診斷，并通過量化關(guān)鍵的揚聲器參數(shù)和這些參數(shù)的變化對放大器進(jìn)行性能優(yōu)化，具體包括：

• 線圈電阻
• 揚聲器阻抗
• 共振頻率和共振頻率下的峰值阻抗
• 揚聲器的實時環(huán)境溫度

電路板布局技巧和分流器注意事項

在實施電流檢測電路時，寄生電阻和電感是值得關(guān)注的問題。此外，過度焊接和寄生電阻也會導(dǎo)致檢測錯誤。通常使用四端子電流檢測電阻。如果不選擇四端子電阻，則應(yīng)使用開爾文 pc 板布局技術(shù)（圖 4）。

圖 4：開爾文檢測跡線應(yīng)盡可能靠近電流檢測電阻上的焊接接觸焊盤。（圖片來源：Analog Devices）

將開爾文檢測跡線置于盡可能靠近電流檢測電阻的焊接接觸點的位置會最大限度地減少寄生電阻。開爾文檢測跡線的間距越大，就越會出現(xiàn)由于額外跡線電阻造成的測量誤差。

正確選擇檢測電阻是將寄生電感降至最小的一個重要方面。由于電壓誤差與負(fù)載電流成正比，因此應(yīng)盡量減少封裝電感。一般來說，繞線電阻的電感值最大，標(biāo)準(zhǔn)金屬膜器件的電感值處于中等水平。對于電流檢測應(yīng)用，一般推薦使用低電感金屬膜電阻。

分流電阻的值是在動態(tài)范圍和功率耗散之間進(jìn)行權(quán)衡的結(jié)果。對于大電流檢測，建議使用低值分流器，以盡量減少熱耗散 (I2R)。在低電流檢測中，使用較大的電阻值能夠?qū)⑹д{(diào)電壓對檢測電路的影響降至最低。

大多數(shù) CSA 依靠外部分流器測量電流，但也有一些 CSA 使用內(nèi)部分流器。雖然使用內(nèi)部分流器的設(shè)計外形更緊湊，器件更少，但需要進(jìn)行一些權(quán)衡，具體包括：由于分流器值預(yù)先確定，所以靈活性較差；相比外部分流器，需要更大的靜態(tài)電流；可測量的電流大小會受到內(nèi)部分流器容量的限制。

高電壓精密雙向 CSA

使用 STMicroelectronics 的 TSC2011IST，設(shè)計人員可以充分發(fā)揮其精密特性，使用低電阻外部分流器，從而最大限度地減少功率耗散（圖 5）。這款雙向 CSA 旨在為數(shù)據(jù)采集、電機控制、螺線管控制、儀表、測試和測量以及過程控制等應(yīng)用提供精確的電流測量。

圖 5：TSC2011IST 包括一個關(guān)斷引腳 (SHDN)，可以最大限度地節(jié)能，其工作溫度為 -40 至 125℃。（圖片來源：STMicroelectronics）

TSC2011IST 的放大器增益為 60 V/V，集成了電磁干擾 (EMI) 濾波器，具有 2 (kV) 人體模型 (HBM) 靜電放電 (ESD) 容限（根據(jù) JEDEC JESD22-A114F 標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定）。TSC2011 可以檢測到低至 10 mV 的滿量程電壓降，以實現(xiàn)穩(wěn)定測量。憑借 750 kHz 增益帶寬積和 7.0 V/μs 壓擺率，該器件確保了高精確度和快速響應(yīng)。

設(shè)計人員可以借助 STEVAL-AETKT1V2 評估板快速上手 TSC2011IST（圖 6）。該器件可以在 -20 V 到 +70 V 的寬共模電壓范圍內(nèi)檢測電流。TSC2011IST 的特點：

• 增益誤差：最大 0.3%
• 失調(diào)漂移：最大 5 μV/°C
• 增益漂移：最大 10 ppm/°C
• 靜態(tài)電流：關(guān)斷模式下 20 μA

圖 6：STEVAL-AETKT1V2 評估板包括主板和一個包含 TSC2011IST 的子卡。（圖片來源：STMicroelectronics）

內(nèi)部雙向分流 CSA

Texas Instruments 的 INA253A1IPW 集成了一個 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)計人員提供了可抑制大 dv/dt 信號的增強型 PWM 抑制電路，從而實現(xiàn)了針對如電機驅(qū)動、螺線管控制等應(yīng)用的連續(xù)、實時的電流測量。內(nèi)部放大器具有精密的零漂移拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且共模抑制率 (CMRR) 大于 120 dB DC CMRR 和 90dB AC CMRR（50 kHz 時）。

圖 7：典型應(yīng)用中的 INA253A1IPW 雙向 CSA。該器件具有內(nèi)部分流器，可在 -40 至 +85°C 的溫度范圍內(nèi)測量 ±15 A 連續(xù)電流。（圖片來源：Texas Instruments）

通過使用相關(guān)的 INA253EVM 評估板上的測試點訪問 INA253A1IPW 的功能引腳，設(shè)計人員就可以加快基于該 CSA 的系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)（圖 8）。這種雙層板的尺寸為 2.4 × 4.2 英寸，用 1 oz 的銅制作而成。

圖 8：該雙層 INA253EVM 器件的尺寸為 2.4 × 4.2 英寸，用 1 oz 的銅制作而成。該器件的底層沒有任何元件，只是一個堅實的銅制地平面，用來為返回電流提供低阻抗路徑。（圖片來源：Texas Instruments）

該 pc 板上包括了最小的支持電路，并且可以根據(jù)需要重新配置、移除或旁路掉各種功能。INA253EVM 具有以下功能：

• 三個 INA253A1IPW 器件
• 所有針腳都易于接觸
• 在整個 -40 至 +85°C 的溫度范圍內(nèi)，支持 ±15A 的電流通過 INA253 CSA 的電路板布局和結(jié)構(gòu)
• 將支座放在 pc 板上，可用于除默認(rèn)配置外的其他配置

該器件的底層沒有任何元件，只是一個堅實的銅制地平面，用來為返回電流提供低阻抗路徑。

獲得 AEC-Q100 認(rèn)證的雙向 CSA

為了監(jiān)測全橋電機控制、開關(guān)電源、螺線管和電池組以及汽車應(yīng)用中的電流，設(shè)計人員可使用 Analog Devices 的 LT1999IMS8-20#TRPBF（圖 9）。

圖 9：LT1999IMS8-20#TRPBF 是全橋電樞電流監(jiān)測應(yīng)用中的雙向 CSA。（圖片來源：Analog Devices）

LT1999IMS8-20#TRPBF 符合汽車應(yīng)用的 AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)，包括了一個關(guān)斷模式，可最大限度地降低功耗。該器件使用外部分流器來測量電流的方向和大小。該器件可按比例產(chǎn)生一個輸出電壓，該值是位于電壓和地之間的參考中間值。設(shè)計人員可以選擇使用外部電壓來設(shè)置參考電平。

當(dāng) VSHDN（引腳 8）被驅(qū)動至 0.5 V 地電壓時，LT1999IMS8-20#TRPBF 進(jìn)入電流消耗約 3 μA 的低功耗關(guān)斷狀態(tài)。如果輸入引腳（+IN 和 -IN）經(jīng)過偏置后在 0 至 80 V 之內(nèi)（不施加差分電壓），其電流消耗約 1 nA。內(nèi)部 1 階差分低通 EMI 抑制濾波器降低了 EMI 敏感性，有助于消除超出器件帶寬的高頻信號。

為了方便測試 LT1999 系列，Analog Devices 提供 1698A 演示板。該板放大了板載電流檢測電阻器上的電壓降，并產(chǎn)生一個與流經(jīng)該電阻器的電流成比例的雙向輸出電壓。設(shè)計人員可選擇三種固定增益：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

為了在控制諸如螺線管和電機等感性負(fù)載的設(shè)計中改善對共模輸入 PWM 邊沿的抑制，設(shè)計人員可以使用 MAX40056TAUA+（圖 10）。如上文圖 2 中所述，MAX40056TAUA+ 是雙向 CSA，可以處理 ±500 V/μs 及以上的壓擺率。該器件的典型 CMRR 為 60dB（50 V，±500 V/μs 輸入）和 140 dB DC。其共模范圍從 -0.1 V 到 +65 V，并提供針對低至 -5 V 電感回跳電壓的保護(hù)。

圖 10：MAX40056TAUA+ 包括一個內(nèi)部 1.5 V 電壓基準(zhǔn)、增強型 PWM 抑制以及一個用于檢測正負(fù)過流條件的內(nèi)部集成窗口比較器（左下方，由 CIP 輸入驅(qū)動）。（圖片來源：Analog Devices）

這款 MAX40056TAUA+ 器件具有內(nèi)部 1.5 V 電壓基準(zhǔn)。該參考電壓有多種用途，具體包括：

• 驅(qū)動差分式模數(shù)轉(zhuǎn)換器
• 對輸出進(jìn)行偏移，以顯示檢測到的電流方向
• 將電流導(dǎo)入外部負(fù)載，以減輕性能下降的影響

當(dāng)更高的滿量程輸出擺動有用或者電源電壓高于 3.3 V 時，設(shè)計人員可以用更高的外部電壓基準(zhǔn)來覆蓋內(nèi)部基準(zhǔn)。最后，設(shè)計人員可以使用內(nèi)部或外部基準(zhǔn)來設(shè)置閾值，以使集成過流比較器跳閘，從而提供即時過流故障信號。

用于 MAX40056TAUA+ 的 MAX40056EVKIT# 評估套件為設(shè)計人員提供了一個成熟的平臺，可用于開發(fā)高精度、高電壓、雙向 CSA 應(yīng)用，如螺線管驅(qū)動器和伺服電機控制器。

結(jié)論

各種各樣的應(yīng)用都需要進(jìn)行快速、準(zhǔn)確地電流監(jiān)控，包括從自動駕駛汽車、工廠自動化和機器人技術(shù)，到通信、服務(wù)器電源管理、D 類音頻放大器和醫(yī)療系統(tǒng)的大量應(yīng)用。在許多情況下，都需要雙向電流檢測。

幸運的是，設(shè)計人員可從各種集成雙向 CSA 及其相關(guān)的開發(fā)平臺中選擇，以便快速有效地實現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的雙向電流監(jiān)測。

審核編輯：符乾江