采用新型放大器实现高性能的电流检测

绝大多数的模拟芯片(比较器、运算放大器、仪表放大器、基准源和滤波器等)都是用来处理电压信号的。当用来处理电流信号时，设计师的选择就较少了，且头痛的事情也比较多。这是很不幸的，因为直接监控和测量电流具有很大的优点。对于电机力矩、螺线管力、LED亮度、太阳能电池光照以及电池能量等参数，通过观测电流是最好的监控方式。因此需要一个能够精密地检测电流并将该电流转换成易于常见的电压型器件(放大器、比较器和ADC等)进行放大、调节和测量的电压的电路。

尽管一只电阻就可以将电流转换成电压，但电阻自身却无法提供完整方案。最常用的方案是采用一只检测电阻，将该电阻直接串联在电流通道中，再用一个放大器来隔离并调节电阻上的电压(VSENSE)。

图1：电流检测电路的原理。

图2：实际的电流检测电路。


结合使用放大器和检测电阻

乍看起来，将一只电阻器与地串联起来似乎与最直接的电流检测方案很相似。这种技术就是众所周知的低端电流检测(图3A)，该技术要求没有接地路径存在，因为接地路径会对检测电阻器周边的电流分流，或者说会使相邻电路贡献电流。特别是当机械外壳是系统地的话，要串联进一只检测电阻器将是不实际的。同样，由于地并非良导体，系统中不同点的接地电压会不一致，从而在精密测量中需要采用一个差分放大器(图3B)。

图3A：低端电流检测拓扑。

图3B：低端电流检测电路实现。


当实现低端电流检测时有一个非常严重的问题。在接地路径中采用一只电阻器，意味着负载的地电位随着电流的变化而变化。这将引起系统的共模误差，并在与要求相同地电位的其他系统连接时出现问题。因为VSENSE的幅度将影响分辨率，设计师需要在分辨率和接地噪声方面进行权衡。100mV的VSENSE满量程将转换成100mV的注入接地噪声。但是，可以通过将电流检测电阻器置于电源和负载之间来避免出现上述地电平的变化问题。

这种替代方案被称作为高端电流检测。同样，位于检测电阻两端的差分电压提供了直接的电流测量，但在电阻器的两端存在一个非零的共模电压。因此该电路也提出了技术挑战，即必须将微小的差分检测电压与来自电源的共模电压区分开来(图4)。

图4：高端电流检测。


对于低压系统，仪表放大器或轨到轨差分放大器足以用来实现高端检测电阻器的检测。放大器的输出必须转换到地，且不能增加太大的误差。而到电源电压非常高时，就需要采用电路将VSENSE降低到放大器的共模范围内，或者将放大器悬浮到电源电压上。这样，除了增大电路板空间和成本外，该技术还假定了共模电压必须位于一个很小的规定范围内。对于绝大多数的电流检测应用，能够预测大的共模波动是非常有用的。例如，如果在电源电压下降时电流检测电路仍能工作的话，就可以指示出究竟是电源还是负载出现了问题，电流过大时意味着限流机制或负载发生了故障，反之，过小时则说明是电源的故障。另一方面，电流检测电路可能面对超过电源电压的共模电压。许多电流型器件，例如电机和螺线管，都呈感性，流通电流的快速变化会引起电感性回扫，从而在检测电阻器上产生大的电压摆幅。也正是在这些情况下放大器显得最有用1。

简单方案

为了解决电流检测的技术挑战，出现了高端电流检测放大器。这些特殊的放大器能够从高共模电压中提取由流经小检测电阻的电流产生的低差分电压。该检测电压然后被放大并被转换成以地为基准的信号。图5给出了高端电流检测放大器的基本拓扑结构。在这种情况下，放大器将一个等效于VSENSE的电压强加到RIN上。通过RIN的电流被迫通过ROUT，从而产生一个以地为基准的电压。 很显然，对于基本的高端电流检测放大器来说，要求具有高输入阻抗，具有高精度的高增益，具有良好共模抑制性能的宽共模范围。还有一点不太明显的是放大器的精度也很重要。

图5：基本的高端电流检测放大器。


1对于开关或整流型负载，在开关和负载之间安置一个传感电阻器将会在放大器端引起一个较大的、且频率可能很高的共模电压。即便是放大器具有很高的共模抑制能力，当出现很大的高频共模电压时，也会导致CMRR误差。为了避免这一不必要的难题，传感电阻器应该对着电源放置，以免受到整流电压的影响。

阻抗是关键

理想情况下，电流和电压检测都不应影响所连接的负载。这意味着电压检测器件应该具有近似无穷大的输入阻抗，这样才能确保对负载没有明显的分流。相反，电流检测应该具有近似为零的输入阻抗，这样才能确保加到负载上的电压不会明显降低。高端电流检测电路(放大器+电阻器)应满足这两项要求。用来检测RSENSE上电压的放大器必须具有高输入阻抗，而用来检测负载电流的电阻则必须非常小。

为了进一步证明这一点，可以尝试使用大检测电阻。随着串联电阻的增加，负载上的电压下降。外部串联的电阻是消耗能量的原因，过大的检测电阻还会导致过度的热耗散，从而引起长期的可靠性问题。

那么，是否有任何理由来使用大电阻呢？使用大电阻的主要优点是增加总的输出电压(等式1)。这在放大器的增益固定或增益可配置能力有限时是有用的。

对检测电阻的大小有一个限制。放大器的输入范围和最大期望电流将决定最大的可用检测电阻(等式2)。

例如，如果通过检测电阻的最大电流(ISENSE_MAX)预期为50mA，而高端电流检测放大器所能接收的最大输入电压为250mV(VSENSE_MAX)，则最大检测电阻为5ohms (RSENSE_MAX)。

理论上，不应该强迫设计师通过增加检测电阻来补偿放大器。只要放大器能够以足够的增益和精度工作，设计师就应该使用最小可接受的检测电阻。这可以根据电流检测放大器的输入偏置电压和必须处理的最小电流来计算。

例如，如果需要1mA的分辨率(IRES)，而高端电流检测放大器的偏置电压是1mV (VOFFSET)，最大检测电阻则应为1ohm (RSENSE_MIN)。方程3强调了一个关键点，即最小检测电阻直接与高端电流检测放大器的偏置电压有关。

密切关注先进的电流检测放大器

由于具有高端电流检测的精度，新一代高端电流检测放大器的性能相对于上一代有了显著的改善。例如，凌力尔特科技公司的LTC6102就是一款结合了零漂移技术的最新高端电流检测放大器。该放大器的输入偏置电压只有10μV，最大偏置漂移只有50nV/℃。与上一代的电流检测放大器相比，LTC6102可以使用更小的检测电阻2。如果系统能够允许更大的VSENSE， LTC6102可以接收高达2V的检测电压。这种组合偏置加上这一最大检测电压可以使放大器提供106dB的动态范围，从而能够处理来自电流放大器的微安级电流。用它可以检测更小的电流，因为可以利用外部电阻达到任意的增益值。通过利用精密电阻器，增益精度可以优于99%。

图6：凌力尔特科技公司的LTC6102可以直接实现高端电流检测。配置该器件只需一个RSENSE和两个增益电阻器。设计师可以通过选择RIN和 ROUT来定制功耗、响应时间以及输入/输出阻抗特性。

LTC6102也并不牺牲其他重要的电流检测功能。高输入阻抗将输入偏置电流限制在300pA以下。LTC6102在高达105V的共模输入电压条件下仍能工作。共模抑制达到130dB，在100V的共模输入电压范围内所贡献的偏差小于32 uV3。在故障保护方面，该器件的响应时间为1usec，因此在负载或电源发生意外时能够迅速地关断电源。

2与具有1mV偏置电压和1 uV/℃漂移的典型高端电流检测放大器相比，LTC6102具有最小的理论检测电阻值(RSENSE_MIN, 等式3)，对于任何给定的电流分辨率(IRES) 而言都要小99%。

3共模抑制等于20 * Log [VCM / VOS]。

本文小结

高端电流检测放大器为检测和控制电流提供了诸多内在的优势。先进的电池管理和电机控制技术就是很好的一些实际应用案例，它们对具有更高共模电压、更高准确度和更高精度的电流检测放大器提出迫切需求。业界领先的LTC6102由于具有强大的功能和出色的精度而得到了业界的青睐。目前的高端电流检测放大器已经达到了业界领先精度的运算放大器的性能水平，为设计师提供了一个简单、多功能和高精度的选择，可以完全替代过去精度低而且复杂的电流检测电路。


有关更多电流检测方面的信息，请参考凌力尔特科技公司编写的ISENSE应用手册，其中收集了许多电流检测电路，读者可以到www.linear.com/currentsense下载。



作者：Grey Zimmer

凌力尔特科技公司