高端電流檢測(cè):差動(dòng)放大器vs.電流檢測(cè)放大器(圖)

在電機(jī)控制、電磁閥控制以及電源管理（如DC/DC轉(zhuǎn)換器與電池監(jiān)控）等諸多應(yīng)用中，高精度的高端電流檢測(cè)都是必需的。在這種應(yīng)用中，對(duì)高壓側(cè)電流而非回路電流進(jìn)行監(jiān)控，可以提高診斷能力，如確定對(duì)地短路電流以及連續(xù)監(jiān)控回流二級(jí)管電流，避免使用取樣電阻，保持接地的完整性。圖1、圖2和圖3分別給出電磁閥控制及電機(jī)控制的典型高壓側(cè)電流取樣配置。

在上述所有配置中，監(jiān)控負(fù)載電流的取樣電阻上的PWM共模電壓在從地到電源的范圍內(nèi)擺動(dòng)。利用從電源級(jí)到FET的控制信號(hào)可以確定這個(gè)PWM輸入信號(hào)的周期、頻率和上升/下降時(shí)間。因此，監(jiān)控取樣電阻上電壓的差分測(cè)量電路應(yīng)具有極高共模電壓抑制與高壓處理能力，以及高增益、高精度和低失調(diào)――其目的是為了反映真實(shí)的負(fù)載電流值。

在使用單一控制FET的電磁閥控制中(見(jiàn)圖1)，電流始終沿同一方向流動(dòng)，因此單向電流檢測(cè)器就足夠了。在電機(jī)控制配置中(見(jiàn)圖2與圖3)，電機(jī)相位進(jìn)行分流意味著取樣電阻中的電流沿著兩個(gè)方向流動(dòng)，因此，需要雙向電流檢測(cè)器。

圖1 典型電磁閥控制中的高壓側(cè)分流

許多半導(dǎo)體供應(yīng)商都為高壓側(cè)電流檢測(cè)提供了多種方案。研究這類(lèi)應(yīng)用的設(shè)計(jì)工程師發(fā)現(xiàn)，這些方案都可以遵循兩個(gè)截然不同的高壓結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行分類(lèi)：電流檢測(cè)放大器和差動(dòng)放大器。

圖2 典型H橋電機(jī)控制中的高壓側(cè)分流

圖3 典型三相電機(jī)控制中的高壓側(cè)分流

接下來(lái)，我們將會(huì)詳細(xì)介紹這兩種架構(gòu)的重要差異，以幫助高壓側(cè)電流檢測(cè)設(shè)計(jì)工程師選擇最適合應(yīng)用的器件。我們將比較兩個(gè)高壓器件：雙向差動(dòng)放大器AD8206和雙向電流檢測(cè)放大器AD8210。這兩個(gè)器件具有相同的引腳，都具備高端電流取樣監(jiān)控功能，但其性能指標(biāo)與架構(gòu)卻不同。那么，如何選擇合適的器件呢？

圖4 AD8206內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

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AD8206(見(jiàn)圖4)是一款集成的高壓差動(dòng)放大器,通過(guò)內(nèi)置輸入電阻網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)⑤斎腚妷合魅踔?/16.7，可承受高達(dá)65V的共模電壓，以使共模電壓保持在放大器A1的輸入電壓范圍內(nèi)。但是，其內(nèi)部的輸入電阻網(wǎng)絡(luò)也會(huì)使差分信號(hào)以同樣比例衰減。為了實(shí)現(xiàn)AD8206的20V/V增益，放大器A1與A2必須將差分信號(hào)放大約334V/V。

這個(gè)器件通過(guò)將輸出放大器偏置到電源范圍內(nèi)的適當(dāng)電壓，來(lái)實(shí)現(xiàn)雙向輸入測(cè)量。電阻分壓網(wǎng)絡(luò)與放大器A2同向輸入端連接，外部低阻抗電壓施加到精密配置的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，來(lái)實(shí)現(xiàn)偏置。AD8206的一個(gè)優(yōu)異特性是：當(dāng)共模電壓為-2V（相當(dāng)于250mV的共模偏置電路，如圖4所示）時(shí)，它能夠正確地放大差分輸入電壓。

AD8210(圖5)是最近推出的一款高壓電流檢測(cè)放大器，功能與AD8210一樣，并且引腳兼容。但是，AD8210的工作方式與差動(dòng)放大器不同,其性能指標(biāo)也不同。

圖5 AD8210功能示意圖

一個(gè)明顯的區(qū)別是輸入結(jié)構(gòu)不依靠電阻分壓網(wǎng)絡(luò)來(lái)處理高共模電壓。輸入放大器包括一個(gè)采用XFCB IC制作工藝制造的高壓晶體管，由于此類(lèi)晶體管的VCE擊穿電壓超過(guò)65V，因此輸入端的共模電壓可以高達(dá)65V。

電流檢測(cè)放大器如AD8210，采用如下方式放大小差分輸入電壓。輸入端通過(guò)R1和R2與差動(dòng)放大器相連。利用晶體管Q1和Q2，可以調(diào)整流過(guò)R1和R2的電流，從而使放大器A1輸入端的電壓為零。當(dāng)AD8210的輸入信號(hào)為0V時(shí)，R1和R2中的電流相等。當(dāng)差分信號(hào)非零時(shí)，其中一個(gè)電阻的電流增加，而另外一個(gè)電阻的電流下降。電流差與輸入信號(hào)大小成比例，極性相同。流過(guò)Q1和Q2的差分電流由兩個(gè)精密調(diào)整的電阻轉(zhuǎn)換成以地為參考的差分電壓。接著，放大器A2利用低壓晶體管――由其5V(典型值)電源供電――對(duì)該電壓進(jìn)行放大，實(shí)現(xiàn)最終輸出增益達(dá)到20。

通常，只有輸入共模電壓保持在2V或3V以上時(shí)，這種架構(gòu)的電流檢測(cè)放大器才有用。不過(guò)，AD8210內(nèi)部的上拉電路能使放大器A1的輸入保持在5 V電源附近。因此，在共模電壓以及器件的5V電源電壓以下時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)精確的差分輸入電壓測(cè)量。

顯而易見(jiàn)，雖然電流檢測(cè)放大器和差動(dòng)放大器工作方式不同，卻履行同樣的功能。差動(dòng)放大器將高輸入電壓衰減，使信號(hào)達(dá)到放大器可以接受的電平。電流檢測(cè)放大器將差分輸入電壓轉(zhuǎn)換為電流，然后再轉(zhuǎn)換至以地為參考的電壓；其輸入放大器因采用高壓制作工藝，能承受高共模電壓。毫無(wú)疑問(wèn)，兩個(gè)架構(gòu)的不同將導(dǎo)致其性能差異，設(shè)計(jì)工程師在選擇高端電流檢測(cè)解決方案時(shí)必須考慮這些性能差異。通常，廠商的數(shù)據(jù)手冊(cè)已提供了大部分信息，可根據(jù)精度、速度、功耗及其他參數(shù)對(duì)器件的類(lèi)型做出正確判斷。然后，器件架構(gòu)內(nèi)在的某些重大差異是無(wú)法在數(shù)據(jù)手冊(cè)中立刻發(fā)現(xiàn)的，但這些也是非常重要的設(shè)計(jì)考慮事宜。下面給出了一些工程師在實(shí)現(xiàn)最佳解決方案時(shí)必須考慮的關(guān)鍵點(diǎn)。

帶寬：由于輸入衰減，許多差動(dòng)放大器的帶寬通常為電流檢測(cè)放大器的1/5。不過(guò)，差動(dòng)放大器較窄的帶寬仍足以支持大多數(shù)應(yīng)用。例如，許多電磁閥控制應(yīng)用的工作頻率不足20kHz，而電機(jī)控制出于噪聲考慮，通常必須在20kHz以上。通常，電磁閥控制檢測(cè)平均電流，差動(dòng)放大器的帶寬非常適合這種應(yīng)用。另一方面，對(duì)于電機(jī)控制來(lái)說(shuō)，瞬時(shí)電流非常關(guān)鍵，尤其是測(cè)量電機(jī)相位時(shí)。因此，具有較寬帶寬的電流檢測(cè)器架構(gòu)將更真實(shí)地反映實(shí)際電機(jī)電流。

共模抑制（CMR）：這兩種架構(gòu)之間輸入結(jié)構(gòu)的差異還導(dǎo)致CMR性能的不同。差動(dòng)放大器通常具有精密跟蹤精度高達(dá)0.01%的輸入電阻。在直流電壓時(shí)，這種匹配程度通常確保了80dB CMR。而電流檢測(cè)放大器因其晶體管輸入結(jié)構(gòu)，可以獲得更佳的匹配，因此其CMR不再取決于輸入電阻的匹配，通?？梢赃_(dá)到100dB以上，除非共模電壓較低。例如，AD8210在輸入共模電壓低于5V時(shí)，能提供的CMR值與差動(dòng)放大器一樣，為80dB。在這個(gè)電壓范圍下，由于其內(nèi)部存在著上拉電路，輸入結(jié)構(gòu)具有電阻性，CMR值與0.01%精密電阻匹配性相關(guān)。在整個(gè)范圍內(nèi)，電流檢測(cè)結(jié)構(gòu)將提供更好的共模抑制。

外部輸入濾波影響：如果在高端電流檢測(cè)應(yīng)用中使用外部濾波，架構(gòu)影響非常大。輸入濾波器的目的是平滑輸入噪聲和電流尖峰，結(jié)構(gòu)通常如圖6所示。

圖6 輸入濾波器

差動(dòng)放大器的輸入阻抗大于100kΩ。對(duì)于AD8206，Rin=200kΩ，如果使用 200Ω濾波器電阻，額外增益誤差將在 0.1%以?xún)?nèi)。假設(shè)電阻的公差是1%，這些外部元件帶來(lái)的共模誤差將達(dá)-94dB，但可以忽略不計(jì)。

雖然電流檢測(cè)放大器具有高得多的共模輸入阻抗，為了將差分輸入電壓轉(zhuǎn)換為電流，其串行輸入電阻通常低于 5kΩ。對(duì)于AD8210來(lái)說(shuō)，差分輸入阻抗Rin=3.5kΩ，在這種情況下，濾波電阻帶來(lái)的附加增益誤差可能高達(dá)5.4%！同時(shí)，假設(shè)外部電阻失配的最差情況，CMR能下降到59dB。對(duì)于最大整體誤差低于2%的器件性能來(lái)說(shuō)，這是非常大的影響。

因此，在電流檢測(cè)架構(gòu)中引入輸入濾波器要非常謹(jǐn)慎。當(dāng)內(nèi)置電阻在5kΩ以下時(shí)，應(yīng)當(dāng)使用阻值低于10Ω的濾波器電阻，這將確保電流檢測(cè)放大器的原始高精度。差動(dòng)放大器可采用的輸入濾波電阻阻值范圍較寬，因?yàn)槠鋬?nèi)部的高阻值輸入電阻網(wǎng)絡(luò)受外部失配的影響較小。

輸入過(guò)驅(qū)動(dòng)：在高端電流檢測(cè)應(yīng)用中，設(shè)計(jì)工程師必須認(rèn)真考慮可能使放大器工作在指定范圍以外的潛在事件。在典型應(yīng)用中，雖然流經(jīng)取樣電阻的負(fù)載電流僅數(shù)百毫伏，但放大器的輸入結(jié)構(gòu)不同，在輸入電壓為若干伏特的故障情況下，器件是否還能正常工作？在這種情況下，差動(dòng)放大器架構(gòu)具有更強(qiáng)的魯棒性，一旦系統(tǒng)次序后退，更可能繼續(xù)如期地履行功能。輸入電阻網(wǎng)絡(luò)可以簡(jiǎn)單的將電流流向接地端；在65V時(shí)，AD8206的輸入端阻抗是200kΩ，則流向接地端的電流是325μA。

如果使用電流檢測(cè)放大器架構(gòu)，設(shè)計(jì)人員必須考慮這種潛在問(wèn)題。在第一個(gè)例子情況下，當(dāng)輸入電壓大幅擺動(dòng)時(shí)，像AD8210這樣的放大器是無(wú)法正常工作的。這種類(lèi)型的放大器輸入端通常包含靜電放電（ESD）保護(hù)二極管。利用大于0.7V的壓差，可以使這個(gè)二極管正偏。這個(gè)二極管的實(shí)際斷點(diǎn)是變化的，但大的差分電壓（如來(lái)自汽車(chē)電源），通常會(huì)給放大器帶來(lái)?yè)p害。

負(fù)壓保護(hù)：在許多情況下，必須保護(hù)電流檢測(cè)器免受反向電源電壓的損壞，尤其是在汽車(chē)應(yīng)用中。差動(dòng)放大器的電阻橋輸入可能是重要因素。不過(guò)，設(shè)計(jì)工程師必須核對(duì)器件的絕對(duì)額定值，以確保輸入ESD二極管僅在較大負(fù)壓下導(dǎo)通。

不過(guò)，在這種情況下，電流檢測(cè)架構(gòu)并不是最優(yōu)的，因?yàn)檩斎敕糯笃骷捌湎鄳?yīng)的輸入晶體管將直接與大的負(fù)壓相連。因?yàn)檩斎胄盘?hào)不應(yīng)當(dāng)受大的輸入負(fù)直流電壓的影響，因此，電流檢測(cè)放大器的輸入ESD二極管通常設(shè)計(jì)成僅在指定輸入電壓范圍的低端以外導(dǎo)通。

除了直流負(fù)壓，這種電流檢測(cè)器還容易受到負(fù)的輸入瞬態(tài)負(fù)流的影響。在PWM系統(tǒng)中這是一種常見(jiàn)情況，其中電流取樣檢測(cè)器隨著內(nèi)部FET開(kāi)關(guān)導(dǎo)通與關(guān)斷，其輸入共模電壓從地到電源電壓之間擺動(dòng)。同樣，也必須認(rèn)真考慮最大絕對(duì)額定值，這些值主要由放大器輸入ESD二極管決定。和以前一樣，差動(dòng)放大器受到高輸入電阻的保護(hù)，從本質(zhì)上講是阻止負(fù)的瞬態(tài)電流進(jìn)入。因此，ESD二極管通常設(shè)計(jì)為能夠鉗位大的負(fù)電壓。但是，當(dāng)采用電流檢測(cè)架構(gòu)時(shí)，在每個(gè)短路瞬間，負(fù)瞬態(tài)電流能啟動(dòng)輸入ESD保護(hù)，而通常的設(shè)計(jì)是：當(dāng)輸入電壓接近放大器輸入共模額定值時(shí)，啟動(dòng)輸入ESD保護(hù)。雖然這種大小的脈沖一般不會(huì)損壞AD8210放大器ESD單元，但這方面的性能因器件不同而異。為了確保不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，在實(shí)際系統(tǒng)中應(yīng)當(dāng)對(duì)這個(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。

輸入偏置電流：在電源管理非常重要以及必須考慮少量泄漏的應(yīng)用中，兩種架構(gòu)中的不同輸入結(jié)構(gòu)都要求考慮輸入偏置電流。例如，在電池電流檢測(cè)系統(tǒng)中，兩個(gè)架構(gòu)都可以監(jiān)控高壓側(cè)電流。不過(guò)，當(dāng)系統(tǒng)關(guān)斷且電流檢控器的電源關(guān)斷時(shí)，雖然輸入仍然與電池相連，差動(dòng)放大器(如AD8206)內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)中的固有接地線路將需要偏置電流，以持續(xù)耗盡電池電流。另一方面，由于輸入共模阻抗非常高(AD8210輸入共模阻抗>5MΩ)，采用電流檢測(cè)架構(gòu)的放大器不會(huì)耗盡電池，因?yàn)樵谳斎氲浇拥氐穆窂街袔缀鯖](méi)有電流。

結(jié)論

在汽車(chē)、電信、消費(fèi)電子和工業(yè)應(yīng)用中，高壓側(cè)電流檢測(cè)是一種廣泛的需求?，F(xiàn)在市場(chǎng)上銷(xiāo)售的集成高壓差動(dòng)放大器和電流檢測(cè)放大器都可以實(shí)現(xiàn)這種功能。根據(jù)應(yīng)用中的精度和性能要求，系統(tǒng)工程師需要認(rèn)真考慮哪種類(lèi)型的電流檢測(cè)器最適合其系統(tǒng)。

兩種類(lèi)型的電流檢測(cè)器都可以工作，但不同架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)卻取決于截然不同的指標(biāo)折中。對(duì)于瞬態(tài)電流監(jiān)控，寬帶寬的電流檢測(cè)放大器最適合，但差動(dòng)放大器更適合監(jiān)控平均電流。此外，電流檢測(cè)放大器具有最小的輸入電源關(guān)斷偏置電流泄漏，因此非常適合對(duì)電流消耗敏感的電源管理應(yīng)用。不過(guò)，采用外部濾波器時(shí)，高壓側(cè)電流檢測(cè)放大器的輸入結(jié)構(gòu)可能限制性能并要求仔細(xì)檢查，以確保在惡劣應(yīng)用環(huán)境使用時(shí)不超過(guò)絕對(duì)輸入額定值。