高端電流檢測電路及原理

中心議題：

高端/低端電流檢測電路及原理簡介

傳統(tǒng)高端檢流電路及原理簡介

選擇檢流電阻的注意事項

解決方案：

采用集成差分運放實現(xiàn)高端電流檢測

高端/低端檢流電路

低端檢流電路的檢流電阻串聯(lián)到地(圖1)，而高端檢流電路的檢流電阻是串聯(lián)到高電壓端(圖2)。兩種方法各有特點：低端檢流方式在地線回路中增加了額外的電阻，高端檢流方式則要處理較大的共模信號。

圖1所示的低端檢流運放以地電平作為參考電平，檢流電阻接在正相端。運放的輸入信號中的共模信號范圍為：(GNDRSENSE*ILOAD)。盡管低端檢流電路比較簡單，但有幾種故障狀態(tài)是低端檢流電路檢測不到的，這會使負(fù)載處于危險的情況，利用高端檢流電路則可解決這些問題。

高端檢流電路直接連到電源端，能夠檢測到后續(xù)回路的任何故障并采取相應(yīng)的保護(hù)措施，特別適合于自動控制應(yīng)用領(lǐng)域，因為在這些應(yīng)用電路中通常采用機(jī)殼作為參考地。

傳統(tǒng)高端檢流電路

傳統(tǒng)的高端/低端檢流方式有多種實現(xiàn)方案，絕大多數(shù)基于分立或半分立元件電路。高端檢流電路通常需要用一個精密運放和一些精密電阻電容，最常用的高端檢流電路采用差分運放做增益放大并將信號電平從高端移位到參考地(圖3)：

VO=IRS*RS;R1=R2=R3=R4

該方案已廣泛應(yīng)用于實際系統(tǒng)中，但該電路存在三個主要缺點：

1)輸入電阻相對較低，等于R1;

2)輸入端的輸入電阻一般有較大的誤差值;

3)要求電阻的匹配度要高，以保證可接受的CMRR。任何一個電阻產(chǎn)生1%變化就會使CMRR降低到46dB;0.1%的變化使CMRR達(dá)到66dB，0.01%的變化使CMRR達(dá)到86dB。高端電流檢測需要較高的測量技巧，這促進(jìn)了高端檢流集成電路的發(fā)展。而低端電流檢測技術(shù)似乎并沒有相應(yīng)的進(jìn)展。

采用集成差分運放實現(xiàn)高端電流檢測

采用差分運放進(jìn)行高端電流檢測的電路更便于使用，因為近期推出了許多種集成電路解決方案。集成電路內(nèi)部包括一個精密運放和匹配度很好的電阻，CMRR高達(dá)105dB左右。MAX4198/99就是這樣的產(chǎn)品，它的CMRR為110dB，增益誤差優(yōu)于0.01%，而且采用小體積的8引腳mMAX封裝。

專用高端檢流電路內(nèi)部包含了完成高端電流檢測的所有功能單元，可在高達(dá)32V的共模電壓下檢測高端電流，并提供與之成比例的、以地電平為參考點的電流輸出。需要對電流做精確測量和控制的應(yīng)用，如電源管理和電池充電控制，都適合采用這種方案。

MAXIM的高端檢流運放中所使用的檢流電阻放置在電源的高端和被檢測電路的電源輸入端之間，檢流電阻放在高端不給地線回路增加額外阻抗，這項技術(shù)提高了整個電路的性能并簡化了布版要求。

MAXIM推出了一系列雙向或單向電流檢測IC，有些雙向電流檢測IC內(nèi)置檢流電阻，可檢測流入或流出被檢電路的電流大小并通過一個極性指示引腳顯示電流方向。增益可調(diào)的電流檢測IC、固定增益(+20V/V，+50V/V，或+100V/V)電流檢測芯片或包括單雙比較器的固定增益電流檢測IC，都采用小體積封裝，如SOT23，可滿足對尺寸要求苛刻的應(yīng)用。圖4是用MAX4173構(gòu)成的高端電流檢測電路。

圖中輸出電壓與檢流電阻的關(guān)系式為：

Vo=RGD*(Iload*Rsense)/RG1)*b式中b為鏡像電流系數(shù)

上式可進(jìn)一步簡化為:Vo=Gain*Rsense*Iload;Gain=b*RGD/RG1

Gain分別為：20(MAX4173T)，50(MAX4173F)，100(MAX4173H).

通過以上計算公式可看出，CMRR由內(nèi)部集成檢流電路的工藝決定(典型值>90dB)，不再受外部電阻的影響。

采用集成檢流電路有以下優(yōu)點：

1、器件的一致性好

2、極好的溫漂特性

3、體積小

4、低功耗

5、使用方便

選擇檢流電阻的注意事項

檢流電阻RSENSE應(yīng)根據(jù)以下幾條原則進(jìn)行選擇：

1、電壓損耗：檢流電阻阻值過大會引起電源電壓以IR的數(shù)值降低。為了減少電壓損耗，應(yīng)選用小阻值的檢流電阻。

2、精度：較大的檢流電阻可以獲得更高的小電流的測量精度。這是因為檢流電阻上的電壓越大，運放的失調(diào)電壓和輸入偏置電流的影響就相對越小。