原创 新型放大器实现高性能电流检测

　　大多数模拟集成电路（比较器、运算放大器、仪表放大器、基准、滤波器等）都是用来处理电压信号的。至于处理电流信号的器件，设计师们的选择却少得可怜，而且还要面对多得多的难题。这很不幸，因为直接监视和测量电流有很大的优势。通过观察电流流动，可以最好地监视电动机扭矩、螺线管受力、LED 密度、太阳能电池受光量和电池电量。所需要的只是一个能准确测量电流并将电流转换成电压的电路，这样就可以用很容易买到现有的电压器件（放大器、比较器、ADC 等）以放大、调节和测量电压。

图 1：电流检测电路概念图

　　尽管电阻可以将电流转换成电压，但是只用电阻并不能组成完整的解决方案。最常见的解决方案是，用一个直接与电流串联的检测电阻，并用一个放大器来隔离和调节电阻上的电压（VSENSE）。

图 2：实际的电流检测电路

　　组合放大器与检测电阻

　　乍一看，将电阻与接地点串联似乎与大多数简单直接的电流检测方法一样。这种方法称为低端电流检测（图 3A），要求不存在可能使电流在检测电阻周围被分流或可能引入邻近电路电流的接地通路。如果机架构成了系统地，那么插入这样的检测电阻也许是不实际的。而且，既然地线不是理想导体，那么系统中不同位置的地电压可能不同，因此必须使用差分放大器才能实现准确测量（图 3B）。

图 3A：低端电流检测拓扑

图 3B：低端电流检测电路

　　在进行低端电流检测时还有更严重的问题。接地通路中的电阻意味着负载“地”将随着电流的变化而变化。这可能引起系统共模误差，并在与需要相同地电平的其他系统连接时出现问题。因为测量分辨率随着 VSENSE 幅度的提高而提高，因此设计师必须以“地噪声”换取分辨率的提高。适度的 100mV 满标度 VSENSE 转换成 100mV 注入地噪声。通过在电源和负载之间放置电流检测电阻，可以避免地电平变化问题。

　　这种方法称为高端电流检测。检测电阻上的差分电压仍然可用来直接测量电流，不过现在电阻上有一个非零共模电压。这种配置的技术难题是，必须从电源共模电压中分辨出小的差分检测电压（图 4）。

图 4：高端电流检测

　　就低压系统而言，仪表放大器或其他轨至轨差分放大器用于监视高端检测电阻可能足够了。放大器的输出必须在不增加很大误差的情况下转换到地电平。电源电压很高时，也许需要将 VSENSE 转换到放大器输入共模范围内的电路，或者将放大器浮动到电源电压的电路。这些方法除了增加电路板空间和成本，还假定共模电压将保持在一个很窄的特定范围内。就大多数电流检测应用而言，预先考虑大的共模变化非常有用。例如，如果电流检测电路在电源电压下降时可以工作，那么它可以指示电源或负载处是否存在问题；电流过大表明限流和负载故障，电流不足指示电源故障。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。很多电流器件，如电动机和螺线管，本质上都是感性的，通过这些器件的电流迅速变化会引起感性反激，导致检测电阻上出现大的电压摆幅。这些例子准确说明了放大器何时最有用。(1)

　　简单的解决方案

　　为了克服这些电流检测难题，人们创造了高端电流检测放大器。这些特殊放大器用来从高共模电压中抽取通过小检测电阻的电流产生的小差分电压。然后，检测电压被放大并被转换成以地为基准的信号。图 5 显示了高端电流检测放大器的基本拓扑。在这个图中，放大器给 RIN 加上等于 VSENSE 的电压。然后，通过 RIN 的电流流过 ROUT，提供以地为基准的输出电压。就这个基本功能而言，很明显，高端电流检测放大器应该有高输入阻抗、高增益和高增益准确度、以及宽共模范围和良好的共模抑制。也许不那么明显的是还有放大器精确度的重要性。

图 5：基本高端电流检测放大器

　　关注电阻

　　理想情况下，电流和电压检测电路不应该对它所连接的负载造成影响。这意味着，电压检测器件应该有接近无限大的输入阻抗，这可确保不会从负载分走可观的电流。相反，电流检测器件应该有接近零的输入阻抗，这可确保不会明显地降低负载电压。高端电流检测电路（放大器＋电阻）同时受到这两种要求的制约。用来检测 RSENSE 上电压的放大器必须有高输入阻抗。用来检测负载电流的电阻必须非常小。

　　为了充分理解这一点，我们来看一下使用大检测电阻时的情况。因为串联电阻提高了，所以负载获得的电压降低了。外加串联电阻是能量浪费的根源，大的检测电阻可能导致过度的热耗散，从长远来看可能引起可靠性问题。

　　使用大检测电阻有什么理由吗？主要的优点是提高了总的输出电压（EQ1）。这在放大器有固定增益或增益可配置性有限时可能很有用。

　　[EQ1]

　　检测电阻值有个限度。放大器输入范围和最大预期电流将决定最大的实际检测电阻值（EQ2）。

RSENSE_MAX = (VSENSE_MAX / ISENSE_MAX) [EQ2]

　　例如，如果通过检测电阻（ISENSE MAX）的最大预期电流是 50mA，高端电流检测放大器可以接受高达 250mV（VSENSE MAX）的输入，那么最大检测电阻值是 50Ω（RSENSE_MAX）。

　　理想情况下，设计师不应该被迫增加检测电阻以补偿放大器。只要放大器能以足够的增益和增益准确度工作，设计师就应该去关注最小可接受电阻值。这可以从电流检测放大器的输入失调电压算出来，必须分辨的最小电流为：

RSENSE_MIN = (VOFFSET / IRES). [EQ3]

　　例如，如果要求 1mA 分辨率（IRES），高端电流检测放大器的失调电压为 1mV（VOFFSET），那么最小检测电阻为 1Ω（RSENSE MIN）。等式 3 突出了一个关键点：最小检测电阻与高端电流检测放大器的失调电压直接相关。

　　深入了解现代电流检测放大器

　　设计师把精准高压侧电流检测技术谨记于心, 从而开发出了新型高压侧电流检测放大器, 与先前的同类产品相比, 性能有了大幅度的提升。例如，凌力尔特公司的 LTC6102 是一种采用零漂移技术的新型高端电流检测放大器。这种放大器的输入失调电压仅为 10uV，偏压漂移最大值为 50nV/oC。与前几代电流检测放大器相比，LTC6102 可以使用小得多的检测电阻(2)。如果系统能够承受大的 VSENSE，那么LTC6102 就可以接受高达 2V 的检测电压。低失调加上这么高的最高检测电压可实现超过 106dB 的动态范围，允许LTC6102从安培级电流分辨出微安级电流。检测非常小的电流是可能的，因为任何增益值都可以用外部电阻选择。通过使用精密电阻，增益准确度可以高于 99%。

　　LTC6102 也不损害其他重要的电流检测性能。其高阻抗输入将输入偏置电流限制为低于 300pA。LTC6102 可以在输入共模电压高达 105V 时工作。130dB 的共模抑制在整个 100V 输入共模电压范围内产生低于 32uV 的偏移误差(3)。就故障保护而言，LTC6102 有 1us 的响应时间，从而允许该器件在出现意外的负载或电源变化时迅速关闭电源。

　　图 6：凌力尔特公司的 LTC6102 可简单直接地实现高端电流检测。用 RSENSE 和两个增益电阻就可以配置该器件。通过选择 RIN 和 ROUT，设计师可以定制功耗、响应时间和输入/输出阻抗特性

　　结论

　　高端电流检测放大器用来监视和控制电流时具有固有的优势。电池管理、电动机控制等领域的技术进步导致对较高共模电压、较高准确度和较高精确度的电流检测放大器的极大需求。LTC6102 率先以一套令人印象深刻的功能和卓越的精确度开辟了一片新天地。高端电流检测放大器现在已经达到了业界领先精确运算放大器的性能水平，为设计师提供了一种简单、通用和高度准确的器件，这种器件可替代过去精确度较低或较复杂的电流检测电路。

　　如需更多有关电流检测的信息，请阅读凌力尔特公司编辑的 ISENSE Application Note，其中收集了广泛的电流检测电路，现在可从网址 www.linear.com.cn/currentsense 下载。

　　注释：

　　1 就开关或换向负载而言，在开关和负载之间安装检测电阻将给放大器加上大的且可能是高频的共模电压。即使有非常高的共模抑制比，加上大的高频共模电压的放大器也会产生 CMRR 误差。为了避免这种不必要的困难，检测电阻应该挨着电源放置，在这里不会受到换向电压影响。

　　2 与失调电压为 1mV、漂移为 1uV/oC 的典型高端电流检测放大器相比，LTC6102 具有最小的计算检测电阻值（RSENSE_MIN，EQ3），就任何给定电流分辨率（IRES）而言，都至少比其他放大器低 99%。

　　3 共模抑制 = 20 x Log[ΔVCM / ΔVOS]