高端电流检测方案介绍
0 2023-12-05


随着过去传统的“开环”系统被智能和高效率“闭环”设计所取代,准确的电流检测在多种应用中变得越来越重要。常见的电流检测方法,需要将检流电阻串联进被测电流通路,再用放大电路放大检流电阻上的压降。这个放大电路常被称之为电流检测放大器,其越来越被广泛地运用于汽车、通信、消费电子等领域。


分立方案

集成方案


对于电流检测放大器电路设计目前主要可以分为分立方案以及集成方案下面小编主要为大家梳理比较一下分立及集成方案的特点

基础知识


01

分立运放搭建的差分放大器方案


这是一个分立运放搭建的差分放大器(下文简称为分立方案)

增益

当满足


02

集成的电流检测放大器方案

另一种选择是集成的电流检测放大器(下文简称为集成方案)

可见,分立方案和集成方案都可以实现电流检测。但在一些高精度的场合,我们建议使用集成的电流检测放大器,因为常规的分立方案需要格外注意电阻的匹配性。


方案对比


01

电阻失配引起的误差

如前述,分立方案要求

但现实中,电阻的失配不可避免。我们假设实际的电阻存在失配度ε,且满足

从而可得:

显然,输出电压里叠加了额外的误差。

为了更直观地说明这个问题,我们用一款高性能运放实际搭建了一个差分放大器,分别使用了4个随机挑选的0.1%电阻和精心选择的0.1%电阻。下图是这个放大器使用10mΩ的检流电阻检测1A电流时,在不同总线下的电压输出情况。

*分立方案与集成方案在不同总线电压下的误差

可见,随机挑选的0.1%电阻,实际ε=0.041%,在12V总线上产生了近0.4%的误差。

为了提升精度,精心挑选电阻实现ε=0.0048%,总线12V时误差仅有0.05%,能够满足绝大部分运用场合。而一款高性能的集成电流检测放大器通常可以实现相近甚至更高的精度。


02

温度变化引起的误差

另一方面,如果产品的使用环境有较大温度变化,分立方案还需要考虑电阻温漂带来的误差。

我们对上述ε=0.0048%的电路进行温度性能的测试,实际使用的电阻拥有25ppm温度系数。

从下图可以看到,分立方案的整体温漂为36.24ppm/℃,在全温度范围内误差的变动将近0.6%。与之相对应的,高性能的集成电流检测放大器往往能实现更小的温漂。

*分立方案与集成方案在不同总线电压下的误差

可以预见,如果使用精度更高、温度特性更好的电阻,分立方案可以实现优于集成方案的性能,但也会极大地提升物料成本。


03

PCB设计

下图是使用SOT23-5小封装运放和4个0603封装的电阻实现的分立方案PCB,而集成方案面积只有分立方案的10%,并且布线更加便捷。

*分立方案PCB

*集成方案PCB


综上所述,分立方案拥有较高的自由度,客户可以根据实际运用场合(如共模范围、增益、功耗、带宽等)进行定制设计,以实现最低的成本或最好的性能。但这对设计工程师提出了较高的要求,并且需要极端地提升成本来满足性能的实现。

集成方案在合理的价格下实现了优秀的性能,能满足大部分情况下的电流精确检测,实现了成本和性能的最优折中。并且体积小,使用方便,可以最大程度地加速产品设计。



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