利用无电阻传感解决方案扩大电流测量范围

测量系统中的电流是监控系统状态的基本但功能强大的工具。借助先进技术，电子或电气系统的物理尺寸大大缩小，功耗和成本降低，而性能方面几乎没有太大的妥协。每个电子设备都在监控自己的健康状况和状态，这些诊断提供了管理系统所需的重要信息，甚至决定了其未来的设计升级。

人们越来越需要测量系统中从微小电流水平到几安培电流的广泛电流范围。例如，在以下情况下，可以确定系统中流动或消耗的电流的高动态范围：

1. 除正常运行外，睡眠/非活动电流还可确定整体负载性能和电池/电源功率估计。

2. ATE/测试环境需要处理微小/低微安电流水平到安培水平的电流，以进行研发或生产级测试。

3. 生产车间环境用于发现生产问题(IC 下的助焊剂、不必要的焊料短路或开路)以及正常的操作功能测试。

4. 工业设备监控，开启和关闭期间的功率耗散提供了设备的健康状况，例如，监控设备中的正常电流和漏电流以确定其随时间的磨损。

在高达 80V 的较高电压电平(共模电平)应用中，外部的简单电流检测放大器 (CSA)(但采用复杂的集成电路设计，其架构迎合精度和准确度)和检测电阻是测量电流时大多数问题的解决方案。电流检测放大器目前具有一流的准确度和精度，可以满足实现微安电流水平的需求，同时仍保持更好的信噪比 (SNR) 性能，以提供系统设计所需的测量分辨率。

然而，对于设计人员来说，选择优化的 CSA 并非易事。需要考虑以下几点权衡：

1. 可用供应

2. 最小可检测电流(表示器件的输入失调电压 (V OS ) 有多低)

3. 最大可检测电流(转换为最大输入检测电压 (V SENSE ))

4. R SENSE上允许的功率耗散

由于差分电压范围由电流检测放大器的选择决定，因此增加 R SENSE值可提高较低电流值测量的准确性，但较高电流下的功耗较高，这可能是不可接受的。此外，检测电流的范围也会减小(I MIN：I MAX)。

降低 R SENSE值更有利，因为它可以降低电阻的功耗，增加感测电流范围。降低 R SENSE值会降低 SNR(可以通过平均输入噪声来改善)。应该注意的是，在这种情况下，设备的偏移会影响测量的准确性。通常，在室温下进行校准可以提高系统准确性，消除偏移电压，但会增加某些系统的测试成本。

对于大多数 CSA， V SENSE-RANGE通常为 100mV，输入失调电压约为 10μV。请注意，如果选择 V SENSE_MIN为 10xV OS因子，则在未校准系统中，这最多可为 ±10% 的误差提供 3 个十倍频程。同样，如果选择 100xV OS ，则可以实现 ±1% 的误差范围，但动态范围会缩小到 2 个十倍频程。因此，动态范围和精度之间存在权衡：收紧精度预算会降低 V SENSE_MIN规定的动态范围，反之亦然。

需要注意的一点是，在 CSA + R SENSE系统中，R SENSE(公差和温度系数)通常是系统总精度的瓶颈。与其他替代方案(如电量计、集成芯片电阻的 CSA、使用运算放大器的差分放大器的分立实现)相比，由于其简单、可靠和成本合理，这仍然是业界监控/测量系统电流的有效做法。可以找到更高等级的公差和温度系数检测电阻，但价格更高。应用在温度范围内的总误差预算需要等于 R SENSE 产生的误差。

无电阻传感解决方案：

对于需要测量更高动态范围电流(从几百微安到几安培)的应用，集成电流传感设备 (U1) 是一种非常有用且有效的解决方案。该解决方案符合以下标准：

1. 集成传感元件(无电阻)

2. 大于 4 个十进制电流感应动态范围

3. 电流输出功能(与160Ω LOAD 一起提供0-1V V OUT，与所有 ADC /微控制器输入兼容以实现电流)。

集成传感装置取代了外部传感电阻，它位于 V DD输入和负载 (LD) 输出之间，能够测量 100uA 至 3.3A 的系统负载电流 (I LOAD )。内部增益模块的增益为 1/500，可在 ISH 时提供输出电流，即 。160Ω 电阻从 ISH 电流输出连接到 GND，将 V ISH电压输出转换为 0V 至 1V。

在 3A 负载电流下，传感元件设备上的 V DD和 LD之间的压降约为 60mV，相当于仅 180mW 的功耗，而在较低的电流值下，感测 100μA 范围时观察到的总误差在 10% 左右。由于在较高电流负载下功耗较低，并且在较低电流水平下仍能保持改进的误差预算，该方案优于传统感测电路。因此，需要更宽电流感测范围(高达 3A 感测)的应用可以从该方案中受益。

具有扩展线路/输入电压的无电阻传感解决方案：

输入电压范围扩展，其中 U1 的电源电压现在可以接受更高的线路电压，最高可达 6V 至 36V。齐纳二极管 (D1) 将 V DD和 PFET (M1) 栅极之间的电压维持在 5.6 V。大部分高压线路被 M1 吸收，M1 的源极被钳位到距 V DD输入电压约 4V-4.5V，从而将 U1 工作电压 (V DD -V SS ) 维持在其正常工作范围内。然后，这个 M1 的源极电压偏置 M2 PFET 的栅极电压。M2 PFET 源极位于 V SS (U1) + V TH(M2)确保 U1 ISH 输出在可接受的电压水平范围内。ISH 电流输出和 R1 产生相对于 GND 的 0 至 1V 输出。