在便攜式、物聯(lián)網(wǎng)和汽車(chē)設(shè)備及系統(tǒng)中，線路或電池供電的電子設(shè)備需要通過(guò)監(jiān)控電源電流來(lái)控制配電，因此電源完整性和控制功能至關(guān)重要。電流檢測(cè)是延長(zhǎng)電池壽命、防止過(guò)流情況、監(jiān)控接地故障和優(yōu)化電源控制的關(guān)鍵。問(wèn)題是需要在高共模電壓下進(jìn)行精確測(cè)量。
電流檢測(cè)放大器 (CSA) 或分流監(jiān)控器是專為執(zhí)行此類(lèi)關(guān)鍵測(cè)量而設(shè)計(jì)的差分放大器 IC。電流測(cè)量的基本原理是將串聯(lián)分流電阻器用作電流傳感器，然后計(jì)算其上的電壓降。這些分流器和相關(guān)電流檢測(cè)放大器的選擇與放置對(duì)于正確配電和高效率運(yùn)行至關(guān)重要。
本文將說(shuō)明如何根據(jù)精度要求和成本來(lái)選擇分流器和電流檢測(cè)放大器。
電阻器電流檢測(cè)
測(cè)量電流的最簡(jiǎn)單方法是插入一個(gè)小電阻器（也稱為分流器）與待測(cè)電流串聯(lián)。測(cè)量電流檢測(cè)電阻兩端的電壓，然后根據(jù)已知電阻值，利用歐姆定律計(jì)算電流。該方法具有簡(jiǎn)單、低成本和線性的優(yōu)點(diǎn)。
電流檢測(cè)電阻的選擇必須關(guān)注電阻器精度、電阻溫度系數(shù) (TCR) 和額定功率。對(duì)于給定電流值，電阻值決定電阻兩端的電壓降。它還決定檢測(cè)電阻的功耗。一般而言，檢測(cè)電阻值遠(yuǎn)小于 1 Ω。市場(chǎng)上有專用電阻器用于這種應(yīng)用。這些電阻器采用板、箔或膜形式的金屬元件，或采用沉積的薄膜或厚膜混合元件。
金屬表面貼裝分流電阻器的示例之一是 Ohmite MCS3264R005FEZR 電流檢測(cè)電阻（圖 1）。該表面貼裝器件 (SMD) 是一款雙端子、5 mΩ 電阻器，額定功率為 2 W，TCR 為 50 ppm/°C。
圖 1：Ohmite MCS3264R005FEZR 是一款金屬表面貼裝 5 mΩ 分流電阻器。（圖片來(lái)源：Ohmite）
分流電阻器也有四端子（開(kāi)爾文）配置。在開(kāi)爾文連接中，電流供應(yīng)給一對(duì)源連接端子。另外兩個(gè)檢測(cè)連接（電壓引線）緊鄰分流電阻。電壓引線的放置避免了與源極引線或觸頭相關(guān)的電壓降。幾乎沒(méi)有電流流向測(cè)量?jī)x表，因此檢測(cè)引線中的電壓降可忽略不計(jì)。Ohmite FC4TR050FER 是一款 50 mΩ、四端子金屬箔分流器。
應(yīng)當(dāng)注意，由于電阻溫度系數(shù)的存在，檢測(cè)電阻的值會(huì)隨溫度變化而變化。選擇低 TCR 的電阻器，使用高額定功率的電阻器，或采用散熱器，都是降低溫度對(duì)電阻影響的辦法。
電流檢測(cè)放大器
電流檢測(cè)放大器是一種特殊用途集成電路差分放大器，設(shè)計(jì)用于檢測(cè)分流器上產(chǎn)生的電壓，并輸出與被測(cè)電流成比例的電壓。電流檢測(cè)電阻兩端的電壓通常在 1 到 100 mV 范圍內(nèi)，但可能取決于標(biāo)稱總線電壓電位。CSA 設(shè)計(jì)有高共模抑制比 (CMRR)，以消除輸出中的總線電壓。這些器件能夠處理超過(guò)其自身電源電壓的共模電壓。
圖 2 是電流檢測(cè)放大器的簡(jiǎn)化示意圖，顯示了一個(gè)具有反向和非反向輸入以及單路輸出的典型差分放大器。
圖 2：典型電流檢測(cè)放大器的簡(jiǎn)化示意圖。增益由電阻器 R2 對(duì) R1 和 R4 對(duì) R3 的比值設(shè)置。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）
電阻值設(shè)置 CSA 的增益。該結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的，R1 = R3，R2 = R4。增益由 R2 對(duì) R1 和 R4 對(duì) R3 的比值確定。在典型 CSA 實(shí)施中，例如 Texas Instruments 的高性能 INA210CIDCKR，R2 和 R4 為 1 MΩ，R1 和 R3 為 5 kΩ，故增益為 200 V/V。此版本放大器的增益精度為 0.5％。該 IC 的額定電源電壓為 2.7 至 26 V，但最大共模輸入電壓為 -3 至 26 V，與電源電壓無(wú)關(guān)。這是 CSA 的關(guān)鍵區(qū)別性特征。輸入失調(diào)電壓僅為 35 μV，CMRR 典型值為 140 dB。
根據(jù)具體應(yīng)用，Texas Instruments INA180B3IDBVR 可能是更經(jīng)濟(jì)的 CSA 選擇。該 CSA 具有相同的共模輸入電壓范圍，且可提供 20、50、100 和 200 V/V 的增益。增益精度為 1％，CMRR 為 100 dB，輸入失調(diào)電壓為 100 μV。
電流檢測(cè)配置
電流檢測(cè)拓?fù)溆袃煞N：高壓側(cè)檢測(cè)和低壓側(cè)檢測(cè)。高壓側(cè)配置將檢測(cè)電阻放在電壓源和負(fù)載之間，而低壓側(cè)檢測(cè)將分流器放在負(fù)載和接地之間（圖 3）。
圖 3：高壓側(cè)檢測(cè)將分流器 (RSENSE) 置于電壓源和負(fù)載之間，而低壓側(cè)檢測(cè)將其置于負(fù)載和接地之間。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）
低壓側(cè)檢測(cè)以地電壓為基準(zhǔn)，具有低輸入共模電壓。這使得電流監(jiān)控放大器和相關(guān)電路更簡(jiǎn)單，成本通常也會(huì)降低。
低壓側(cè)連接的缺點(diǎn)是它將負(fù)載提升到地電壓以上。當(dāng)電流值變化時(shí)，流過(guò)分流電阻器的電流會(huì)提升或降低系統(tǒng)基準(zhǔn)電平。這可能導(dǎo)致控制回路出現(xiàn)問(wèn)題。此外，這種電路配置無(wú)法檢測(cè)到分流電阻器周?chē)碾妷嚎偩€的接地短路。
高壓側(cè)拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)是負(fù)載和系統(tǒng)基準(zhǔn)電壓固定在地電壓，與監(jiān)控的電流無(wú)關(guān)，并且可以輕松檢測(cè)到總線接地短路的情況。
缺點(diǎn)是，測(cè)量電路的輸入端存在一個(gè)接近總線電壓的共模電壓。除了加壓于電流檢測(cè)放大器之外，在某些應(yīng)用中，還可能要求下移 CSA 輸出電平至接近系統(tǒng)基準(zhǔn)電平。
與高壓側(cè)檢測(cè)相關(guān)的問(wèn)題促使業(yè)界開(kāi)發(fā)了很多 CSA 系列產(chǎn)品。INA180 和 INA210 都是新型 CSA，可以處理 -3 至 26 V 的共模電壓，無(wú)論電源電壓是多少。它們適合電機(jī)控制、電池監(jiān)控和電源管理等等應(yīng)用。總線電壓較高的應(yīng)用可以使用其他提供高達(dá) 80 V 輸入共模電壓范圍的 CSA。對(duì)于更高的電壓，CSA 需要使用外部元件來(lái)將放大器與共模電壓隔離，或者使用隔離放大器。
選擇檢測(cè)電阻值
檢測(cè)電阻值應(yīng)保證在預(yù)期總線電流范圍內(nèi)，電阻上的電壓降遠(yuǎn)高于 CSA 電壓失調(diào)和任何加性垂直噪聲。檢測(cè)電阻的額定功率將由最大總線電流和最大電壓降決定。
舉個(gè)例子，12 V 總線預(yù)計(jì)承載最大 2 A 電流。若使用 INA210 CSA，分流器兩端的電壓降應(yīng)大于最大失調(diào)電壓 35 μV。
共模抑制比在 105 到 140 dB 的范圍內(nèi)。使用較低值 (105 dB)，12 V 總線電位（共模電壓）將被衰減至約 67 μV。它乘以放大器的增益后，將顯示為 CSA 輸出端的失調(diào)電壓。此共模殘留失調(diào)不是待測(cè)電流引起的，而且這種情況下的殘留不會(huì)造成問(wèn)題，因?yàn)樗∮跍y(cè)量值的 1％。
檢測(cè)電阻值的選擇必須確保電壓降遠(yuǎn)大于失調(diào)電壓。對(duì)于 INA210（增益為 200）輸出端的 2 V 單極性擺幅，輸入應(yīng)為 10 mV。這顯著大于上述輸入電壓失調(diào)或共模殘留。在標(biāo)稱最大電流 2 A 時(shí)，檢測(cè)電阻值應(yīng)為 5 mΩ。分流器的額定功率至少應(yīng)為標(biāo)稱預(yù)期最大功耗 20 mW 的兩倍。前述 Ohmite MCS3264R010FEZR 的額定功率為 2 W，因此可以使用。
利用 Texas Instruments TINA-TI 程序仿真此配置，我們可以看到電路的直流和交流傳輸特性（圖 4）。直流傳輸特性顯示出線性響應(yīng)，斜率為 1 V/A。對(duì)于 2 A 最大電流，它將產(chǎn)生 2 V 輸出。交流響應(yīng)的帶寬為 20 kHz。
圖 4：Texas Instruments TINA-TI 電路仿真，使用 5 mΩ 分流器，顯示出斜率為 1 V/A 的線性直流傳輸特性。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）
總結(jié)
電流檢測(cè)放大器專門(mén)設(shè)計(jì)用于根據(jù)串聯(lián)分流電阻器上的電壓降來(lái)測(cè)量總線電流，特別適合于存在高共模電壓情況下的高壓側(cè)測(cè)量。這些放大器易于選擇，如果使用得當(dāng)，它們可以出色地完成電子系統(tǒng)中的電源測(cè)量、監(jiān)視和控制任務(wù)
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