高压侧电流检测放大器LT6107

0 引言
    LT6107是凌力尔特公司(Linear Technology Corporation)推出的一款简单小巧、多功能高压侧电流检测放大器，是一种简单易用的通用器件，具有高输入电压范围、高精度、宽工作温度范围、低失调电压、低电源电流等特性，是MP级器件，能够应用到自动装置、工业设施及电源管理等产品中，可满足汽车、军事和工业以及其他严酷环境中的应用需求。
    LT6107的最大输入偏置电流仅为40nA，失调电压仅有250μV，其增益可由两只外部电阻调节设置，精度高于1％，输入电压范围为2．7V～44V，能适应-55℃～+150℃的工作环境，工作电流仅为65μA。
    LT6107具有很低的检测电压。当VSENSE=0V时，输出电压永远为正，流过输出器件的静态输入失调电压和较小的总量电流仅为0．7μA～1．2μA。

1 引脚功能
    图1所示为LT6107的外形图，其引脚功能如下：

    OUT：电流输出端，该电流与外部检测电阻上的电压成正比。
    V-：通常接GND。
    -IN：内部检测放大器使-IN端上的电平与+IN端的相同，在V+和-IN端之间接电阻RIN可以设置输出电流IOUT，IOUT=VSENSE／RIN，其中的VSENSE为RSENSE上的检测电压。
    +IN：通过一个电阻与系统负载端相连。
    V+：IC的正电压供电端，直接与检测电阻相连，供电电流通过此端驱动IC工作，若仅监视系统负载电流，可将V+接到检测电阻的正端；若监视包含LT6107在内的所有工作电流，需将V+接到检测电阻的负端。

2 基本原理
    LT6107是通过检测外部检测电阻上的电压来实现对电流的监视。内部电路首先将外部检测电阻上的电压转变成输出电流，再在一个高共模电压上给出一个小的检测信号，并由它作为一个基准地。其低DC失调可以监视很小的检测电压，仅需在电路中连接一个很小的电阻，就可将功耗降至最低。其内部方框电路如图2。

    内部电流放大器环将-IN与+IN强拉到相同的电位，在-IN和V+之间接一支外部电阻RIN，这样当RIN的电位与RSENSE上的电位相同时，相应的电流VSENSE／RIN将流过RIN。检测放大器的高输入阻抗不会导通此电流，而通过内部的PNP管流向IOUT端。输出电流传输经由OUT端到达V-的电阻后，转变为电压信号到IC内，其电压为： VO=V-+IOUTXROUT，其增益值如表1所列。

3 基本应用
    LT6107通过对可调节检测电流的设置来监视电流，其检测电压是经可调增益放大得来的，而且是从正电源电压到基准地的线性变化的。加入一个输出滤波器，其输出信号也可以作为模拟信号使用。图3所示为LT6107的一个基本应用电路图。

4 硬件设计
4．1 外部电流检测电阻的选择
    外部检测电阻RSENSE对电流检测系统的功能有很大影响，因此必须小心谨慎地选择。首先，要考虑电阻的功耗。系统负载电流会引起发热及RSENSE上的电压损耗，因此检测电阻要尽可能地小，只需测出设备所需的动态范围即可。输入动态范围受LT6107初级侧DC输入失调电压的限制，在最大输入信号和最小所测信号时的动态范围是不同的。而且RSENSE必须足够小到其VSENSE不能超过LT6107的最大输入电压。比如，最大检测电压为100mV，如果外部峰值负载电流为2A，则RSENSE不能超过50mΩ。
    一旦最大RSENSE值确定下来，最小RSENSE值可由其精度或所需动态范围来决定，其最小信号也受输入失调电压的限制。例如LT6107失调电压为150μV，若最小电流为20mA，则检测电阻为7．5mΩ，其VSENSE就为150μv，即输入失调。大的检测电阻会减小由于失调造成的误差。当RSENSE为50mΩ时，其动态范围最大，在峰值负载(2A)时具有100mV的检测电压及3mA的输入失调负载电流误差，其功耗为200mW；当检测电阻为5mΩ时，其有效误差为30mA，此时的峰值检测电压(2A负载)为10mV，功耗仅20mW。
    当LT6107的失调电压为典型值：150μV时，可以为最大150 mV的检测电压提供60dB的动态范围，为最大0．5V的检测电压提供超过70dB的动态范围。这使得具有的低失调和相对较大的动态范围特性的LT6107能够适应更宽泛的应用场合。
    为降低功耗，-IN到+IN之间的检测电阻需采用凯尔文连接方法。在流过大电流时，焊锡连接和PC板的互连会引起较大的测量误差。10mmx 10mm平方的轨迹就有大约0.5mΩ的误差，而1mV的误差相当于2A电流流过此处。因此，需将检测线与高电流的路径隔离开来，以便减小误差，采用集成有检测电阻的凯尔文连接也是行之有效的方法，图4是推荐的一种连接方法。

4．2 外部输入电阻RIN的选择
    当系统所需的输出电流为1mA时，必须选择合适的RIN。RIN的最大值为500Ω。RIN取决于IOUT=1mA时所对应的最大检测电压，可由此得出最大输出动态范围。输出动态范围取决于最大允许输出电流和最大允许输出电压，可以将其作为最小实际的输出信号，如果该值低于所需的动态范围，可通过增加RIN来减小最大输出电流和功耗。若系统有非常宽的动态范围，而又需要小的检测电流，此时小RIN可带来较大的电流，电路也需用另外一种连接方法，见图5。用一支肖特基二极管与RSENSE并联，会降低大电流设备的精度，从而增加小电流的精度。

    值得注意的是，在设计RIN时，特别是有较小的RIN值，PCB上所有串联的电阻都会增加RIN的值，从而引起更大的误差。
4．3 外部输出电阻ROUT的选择
    在选择输出电阻时，必须首先考虑最大输出电压，如果随后的电路中有输入限制，比如：缓冲器或ADC，则ROUT必须满足IOUT(MAX)·ROUT低于电路的最大输入范围。
    此外，输出阻抗由ROUT决定，若所驱动的电路有足够的输入阻抗，那么输出阻抗不受限制。而若所驱动的电路的输入阻抗较低，或ADC有电流尖刺，则需低ROUT，以确保其输出精度。比如，输入阻抗是ROUT的100倍，则VOUT的精度将减小1％，如下：
   
4．4 误差的考虑
    1)误差源
    电流检测系统使用一个放大器和几个电阻来调节增益及电平位移。输出取决于放大器的特性，增益和输入失调由电阻调节，电路输出为：
   
    这种情况下的误差仅来自电阻的失配，且仅在增益上有误差。当然，失调电压及偏置电流也会引起其它误差。
    2)输出误差
    由放大器DC失调电压VOS导致的输出误差为：
   
    偏置电流流入内部运放的正输入，流入运放的负输入，由偏置电流和导致的输出误差为：
   
    例如，当IBIAS为60nA，RIN是1K，输入参考误差是60μV。注意，RSENSE=RIN时，RSENSE上会产生电压偏移，以消除，和EOUT(IBIAS)=0mV带来的误差。在多数应用中，RSENSE<<RIN，外部电阻，其偏置电流误差也就会最大限度地减小了，见图6的接法。

    若LT6107放大器的失调电流IOS为6nA，60μV的误差会减小到6μV。
    上文所述的会使电路的动态范围达到最大化，若想简化设计，也可不接。
    3)由增益差异导致的输出误差
    LT6107在输出电流为1mA时，其典型增益误差为0．25％。增益误差主要来自PNP输出晶体管的有限增益，这就使得在输出负载ROUT上不会出现像RIN上一样的小比率电流。
4．5 功耗的考虑
    LT6107的功耗会使芯片温度上升，可用结温来反映流过器件的供电电流和输出电流的大小。
   
   
    当工作电压到最高36V，且最大输出电流达到1mA时，总功耗为41mW，其结温比环境温度上升10℃。
注意，影响输出的因素有许多，LT6107至少要有1mA的输出，还必须限制最大输出电流，因此所选的检测电阻和必须合适，一旦输入有故障，外部会被钳制。
4．6 输出滤波
    为简化滤波器设计，这里将输出电压VOUT简化为IOUTXZOUT，因此只需适当的ZOUT就可设计出所需的滤波器，用于任意电路。例如，与ROUT并联的一个电容就能产生低通响应，减小不必要的输出噪声，还能为充电设备提供稳定的输出，驱动诸如MUX或ADC的开关电路。其输出电容器与输出电阻并联，会在输出响应点生成f-3dB，即：
   
4．7 供电连接
    V+端要接到检测电阻的一侧，并要满足下列条件：+IN≤V+和-IN≤V+。在正常工作条件下，VSENSE不得超出500mV。另外还需考虑V+-(+IN)≤500mV，参看图7，其反馈将会使-IN和+IN端的电压等于VS-VSENSE。
    实际应用中，LT6107无法作反接保护，为了防止器件损坏，可以在回路中串接一支肖特基二极管，也可在输出串入电阻来保护输出，其电路分别如图8和图9所示。