本應用筆記介紹了使用電流檢測放大器、差分放大器和儀表放大器測量智能手機、平板電腦、筆記本電腦和USB配件中的電池充電和放電電流。它將高端電流檢測放大器與低側差分放大器進行比較，并推薦電流檢測電阻的選擇標準。本文介紹了高壓斷路器，用于在故障和短路時提供系統過流保護。包括可變線性電流源和可編程0–5A電流源的應用電路。

電流測量（即監控流入和流出電子電路的電流）是設計人員的一項基本技能，在廣泛的應用中是必需的。應用示例包括過流保護、4–20mA 系統、電池充電器、高亮度 LED 控制、GSM 基站電源和 H 橋電機控制，您必須知道流入和流出可充電電池的電流比率（即儀表功能）。

隨著越來越多的應用變得便攜，對專用電流監測器的需求也在增加，這些電流監測器以小型封裝和低靜態電流完成其任務。以下討論涵蓋低端和高邊電流監視器，并包括其架構和應用。

高邊還是低邊顯示器？

大多數電流測量應用采用低邊原理，其中檢測電阻與接地路徑串聯（圖 1），或采用高端原理，其中檢測電阻與熱線串聯（圖 2）。這兩種方法在不同領域進行了權衡。低側電阻會在接地路徑中增加不需要的外來電阻。但是，與高端電阻相關的電路必須處理相對較大的共模信號。此外，如果圖1中的運算放大器的GND引腳以R的正極為參考。意義，則其共模輸入范圍必須擴展到零以下，即 GND - （R意義× I負荷).

圖1.低邊電流監視器的原理。

圖2.高端電流監視器示例。

但是，不要讓低邊測量電路的簡單性導致忽視高邊方法的優點。各種故障可以繞過低側監視器，從而使負載承受危險且未檢測到的應力（圖 3）。請注意，通過路徑 A 連接的負載受到監視，但通過路徑 B 的意外連接會繞過監視器。另一方面，直接連接到電源的高邊監視器可以檢測任何下游故障并觸發適當的糾正措施。高邊監視器也非常適合底盤用作接地電位的汽車應用。

圖3.如果負載意外接地，路徑 B 可能會承載危險的高電流。

傳統高邊監聽

以前，這兩種方法的許多實現都是基于分立元件或半分立電路。這種高邊監視器最簡單的形式需要一個精密運算放大器和幾個精密電阻。高邊測量的一種常見方法是使用經典的差分放大器，它用作增益放大器和從高端到地的電平轉換器（圖 4）。雖然這種分立電路被廣泛使用，但它有三個主要缺點：

輸入電阻（等于R1）相對較低。

輸入通常表現出較大的輸入電阻差異。

電阻必須匹配得非常好才能獲得可接受的共模抑制比（CMRR）：任何電阻值的偏差為0.01%，CMRR降至86dB，0.1%偏差將其降低至66dB，偏差為1%則降至46dB。

高邊電流監測迫使為此目的開發了許多新的集成電路。另一方面，低邊測量并沒有推動許多新的、有趣的IC的發展。

圖4.差分放大器是高端電流測量的基本元件。

集成差分放大器

由于引入了許多包含精密放大器和良好匹配電阻的IC，差分放大器在高端電流測量中的使用變得更加方便。這些器件提供大約 105dB 的 CMRR。例如MAX4198/MAX4199（圖5）。這些IC采用8引腳μMAX封裝，可實現110dB的典型CMRR，增益誤差優于0.01%。

圖5.集成差分放大器（MAX4198/MAX4199）具有非常高的CMRR。

專用高邊監視器

另一種高端電流測量方法是包含執行測量所需的所有功能的IC。它們在存在高達 32V 的共模電壓時檢測高端電流，并提供與目標電流成比例的以地為參考的電流或電壓源輸出。電源管理、電池充電和其他必須精確測量或控制電流的應用都可以從這些專用電流檢測放大器中受益。

Maxim的高邊電流檢測放大器采用電流檢測電阻，位于電源正端和監控電路的電源輸入之間。這種布置避免了接地層中的外來電阻，大大簡化了布局，并且總體上提高了整體電路性能。Maxim的單向和雙向電流檢測IC包括帶或不帶內部檢測電阻的雙向器件。雙向放大器包括一個用于指示電流方向的符號引腳。

這些單向和雙向電流檢測IC包括具有可調增益、+20V/V、+50V/V或+100V/V固定內部增益、內部增益以及單路或雙路比較器的型號。它們采用小型封裝，可滿足緊湊型應用的嚴格要求。

Maxim所有高邊IC監測器的共同點是能夠提供以地為參考的電壓或電流輸出，只需很少或無需額外的元件。輸出信號與測得的高端電流成正比，其共模電壓可高達32V。圖6至圖9顯示了集成高邊電流監視器的一些可用架構。注意，MAX4172電流源輸出與R兩端的電壓成正比意義.

新型高邊監視器的公式表明，外部電阻對CMRR的影響不再是問題，因為MRR（通常>90dB）現在完全由集成放大器決定。將電流測量功能集成到單個IC中具有以下優點：

對有源和無源集成組件的嚴格公差

出色的溫度系數 （TC）

體積小

低功耗

易于使用

圖6.這是雙向高邊電流監測器（MAX9928/MAX9929）的簡化原理圖，包括用于電流方向的SIGN輸出。

圖7.單向高邊電流監測器（MAX4372）。

圖8.另一個單向高邊電流監測器（MAX4172）。

圖9.另一種用于單向高邊電流監測器的架構（MAX4173）。

選擇RSENSE時的注意事項

在設計任何類型的電流監測器時，仔細考慮分流電阻器（RSENSE）是一個重要而必要的部分。RSENSE的選擇應遵循以下標準：

電壓損失：高RSENSE值會導致電源電壓因IR損失而降低。最低的RSENSE值給出最小的電壓損失。

精度：高RSENSE值使您能夠更準確地測量低電平電流，因為電壓偏移和輸入偏置電流偏移相對于感測電壓不那么重要。

效率和功耗：在高電流水平下，RSENSE中的I2R損耗可能很大，因此在選擇電阻器值和功耗額定值（瓦數）時要考慮到這一點。感應電阻器中的過熱也會導致其值漂移。

電感：如果ISENSE具有較大的高頻分量，則RSENSE必須具有較低的電感。線繞電阻器具有最高的電感。金屬膜電阻器稍好一些，但建議使用低電感金屬膜電阻器（可用值低于1.5Ω）。與金屬膜和線繞類型（即，繞芯螺旋纏繞）不同，低電感金屬膜電阻器由金屬的直帶組成。

成本：對于RSENSE成本存在問題的應用，使用PCB跡線作為感測電阻器（圖10）是一種替代方法。由于銅電阻不準確，您需要使用電位計調整滿刻度電流值。在經歷廣泛溫度變化的系統中，銅的電阻溫度系數相當高（約0.4%/°C）。

圖 10.該高邊電流監測器（MAX4172）采用PCB走線用于R。意義.

高邊監視器應用

圖11中的電路是一個可變線性電流源。IC1將R1電流轉換為成比例的輸出電壓，使穩壓器（IC2）能夠產生穩定的輸出電流。要設置特定的、受監管的 I外電平在 0mA 和 500mA 之間，在 I 時施加 5V 至 0V控制（5V 組 I外= 0mA，0V 設置 I外= 500mA）。作為替代方案，您可以引入如圖所示的D/A轉換器，以提供I的數字控制外.對于12位分辨率（60μA/LSB），DAC可以是并行輸入MAX530或串行輸入MAX531。對于10位分辨率（250μA/LSB），DAC可以是并行輸入MAX503或串行輸入MAX504。

圖 11.可變線性電流源（MAX603）。

圖12電路為0–5A可編程可變電流源。該器件可產生 0A 至 5A 電流，順從范圍為 4V 至 28V，具有兩個優勢：12 位 D/A 轉換器使其可進行數字編程，開關模式降壓穩壓器 （IC1） 使其比采用線性調整管的替代電流源效率更高。應用包括過流保護、4–20mA 系統、電池充電器、高亮度 LED 控制、GSM 基站電源和 H 橋電機控制。

圖 12.0–5A可編程電流源（MAX4173）。

通用串行總線（USB）的廣泛使用導致2.7V至5.5V范圍內的電源軌出現了各種過流保護電路，但很少有產品可用于高于該范圍的電壓。圖13中的斷路器采用高達26V的電源電壓工作，并在編程電流門限下跳閘。

圖 13.高壓斷路器（MAX4172）保護電壓至26V。

審核編輯：郭婷