在許多應(yīng)用中都需要精確的高端電流檢測，包括電機(jī)控制，電磁閥控制和電源管理（例如，DC-DC轉(zhuǎn)換器和電池監(jiān)控）。在這些應(yīng)用中，高端電流監(jiān)測 - 而不是返回 - 可以提高診斷能力，例如確定接地短路和連續(xù)監(jiān)測再循環(huán)二極管電流 - 并通過避免引入來保持接地路徑的完整性分流電阻。圖1,2和3描述了用于電磁閥和電機(jī)控制的典型高側(cè)電流分流配置。

在上面顯示的所有配置中，分流電阻上的脈沖寬度調(diào)制（PWM）共模電壓 - 監(jiān)視負(fù)載電流 - 從整個范圍從地面到電池擺動。該PWM輸入信號將具有由功率級到FET的控制信號建立的周期，頻率和上升/下降時間。因此，監(jiān)測分流電阻兩端電壓的差分測量電路需要非常高的共模抑制和高壓處理能力的嚴(yán)格組合，以及高增益，高精度和低偏移 - 所有這些都是為了提供負(fù)載電流值的真實表示。

在使用單個控制FET的電磁閥控制（圖1）中，電流始終以相同方向流動，因此單向電流傳感器就足夠了。在電機(jī)控制配置中（圖2和圖3），將分流器置于電機(jī)相位意味著分流電阻器中的電流可以雙向流動;因此，雙向電流傳感器是必要的。

研究高端電流檢測功能選擇的設(shè)計人員將從許多半導(dǎo)體供應(yīng)商那里找到各種選擇。然而，一個關(guān)鍵的發(fā)現(xiàn)是，這些集成電路器件中的選擇可以根據(jù)兩種截然不同的高壓架構(gòu)進(jìn)行分類：電流檢測放大器和差分放大器

我們將在這里確定并解釋這些架構(gòu)之間的一些關(guān)鍵差異，以幫助需要高端電流檢測的設(shè)計人員選擇最適合應(yīng)用的器件。我們將比較兩個高壓部件，AD8206雙向差動放大器和AD8210雙向電流檢測放大器。兩款器件均提供相同的引腳排列，均可執(zhí)行高端電流分流監(jiān)控，但其規(guī)格和架構(gòu)不同。那么，如何考慮哪種設(shè)備最適合應(yīng)用？

工作原理

AD8206（圖4），集成高壓差動放大器，通過使用輸入電阻將輸入電壓衰減16.7：1，可以承受高達(dá)65 V的共模電壓，從而將共模電壓保持在放大器A1的輸入范圍內(nèi)。不幸的是，輸入電阻網(wǎng)絡(luò)也將差分信號衰減相同的值。為實現(xiàn)AD8206的20 V / V增益，放大器A1和A2實際上必須將差分信號放大約334 V / V.

該器件通過將輸出放大器偏置到電源范圍內(nèi)的合適電壓來實現(xiàn)雙向輸入測量。通過將外部低阻抗電壓施加到連接到A2正輸入的精確調(diào)整的電阻分壓器來實現(xiàn)偏移。該器件的一個有用特性是，當(dāng)共模電壓負(fù)高達(dá)2 V時，能夠正確放大差分輸入電壓 - 這是250 mV共模偏置電路的結(jié)果如圖所示。

AD8210（圖5）是最近推出的高壓電流檢測放大器，提供與AD8206相同的功能關(guān)系，并使用相同的引腳連接。但是，它的工作方式不同，所得到的規(guī)格與差動放大器不同。

一個明顯的區(qū)別是輸入結(jié)構(gòu)不依賴于電阻衰減網(wǎng)絡(luò)來處理大的共模電壓。輸入放大器包括高壓晶體管，可在XFCB IC制造工藝中使用。由于暴露在此電壓下的所有晶體管的V CE 擊穿超過65 V，因此輸入端的共模電壓可高達(dá)65 V.

AD8210等電流檢測放大器以下列方式放大小差分輸入電壓。輸入端子通過R1和R2連接到差分放大器A1。 A1通過晶體管Q1和Q2調(diào)節(jié)通過R1和R2的電流，使出現(xiàn)在其輸入端子上的電壓為零。當(dāng)AD8210的輸入信號為0 V時，R1和R2中的電流相等。當(dāng)差分信號非零時，電流通過其中一個電阻增加而另一個減小。電流差與輸入信號的大小和極性成比例。通過Q1和Q2的差分電流通過兩個內(nèi)部精密調(diào)整電阻轉(zhuǎn)換為以地為參考的差分電壓。然后可以通過放大器A2放大此電壓，這次使用由器件的5V（典型值）電源供電的低壓晶體管，產(chǎn)生最終輸出，總增益為20。

具有這種架構(gòu)的電流檢測放大器通常僅在輸入共模電壓保持在2 V或3 V以上時才有用，并且如果應(yīng)用不要求輸入共模電壓一直接地（或以下）。但是，AD8210使用上拉電路將放大器A1的輸入保持在5V電源附近，即使輸入共模電壓低于 5 V，也一直保持在因此，在遠(yuǎn)低于器件5V電源的共模電壓下，可以進(jìn)行精確的差分輸入電壓測量。

很明顯，電流檢測放大器和差動放大器在完全不同的情況下執(zhí)行相同的功能。差分放大器衰減高輸入電壓，使信號達(dá)到放大器可以承受的水平。電流檢測放大器將差分輸入電壓轉(zhuǎn)換為電流，然后再轉(zhuǎn)換為以地為參考的電壓;由于其高壓制造工藝，其輸入放大器能夠承受大的共模電壓。兩種架構(gòu)之間的差異自然會導(dǎo)致設(shè)計人員在選擇高端電流監(jiān)控解決方案時必須考慮的性能差異。制造商的數(shù)據(jù)表通常提供所需的大部分信息，以便根據(jù)準(zhǔn)確度，速度，功率和其他參數(shù)正確判斷使用哪種類型的設(shè)備。但是，在閱讀數(shù)據(jù)表時，器件架構(gòu)中固有的一些關(guān)鍵差異并不是很明顯，但它們可能是必不可少的設(shè)計考慮因素。以下是工程師必須了解的關(guān)鍵點，以獲得最佳解決方案。

帶寬：由于輸入衰減，許多差動放大器的帶寬通常約為電流檢測放大器的五分之一。然而，差分放大器的較低帶寬對于大多數(shù)應(yīng)用來說仍然是足夠的。例如，許多電磁控制應(yīng)用的運行頻率低于20 kHz，但由于噪聲考慮，電機(jī)控制通常必須在20 kHz或更高頻率下運行。電磁閥控制通常涉及查看平均電流，差分放大器的帶寬非常適合該應(yīng)用。另一方面，對于電機(jī)控制，瞬時電流是關(guān)鍵，特別是在電機(jī)相位測量時;因此，具有更高帶寬的電流傳感器架構(gòu)將更真實地表示實際電機(jī)電流。

共模抑制：這兩種架構(gòu)之間輸入結(jié)構(gòu)的差異也會導(dǎo)致CMR性能的差異。差動放大器通常具有微調(diào)輸入電阻，跟蹤精度為0.01％。這種匹配程度通常會在直流時產(chǎn)生80 dB的CMR保證。具有晶體管輸入結(jié)構(gòu)的電流檢測放大器可以獲得更好的匹配，因此CMR（不再依賴于輸入電阻匹配）通常可以指定在100 dB以上，除非共模電壓較低。例如，當(dāng)輸入共模電壓低于5 V時，AD8210提供與差分放大器相同的80 dB。在此電壓范圍內(nèi)，由于上述內(nèi)部上拉電路，輸入結(jié)構(gòu)變?yōu)殡娮?因此，CMR再次成為0.01％精密調(diào)整電阻匹配的函數(shù)。但是，在整個范圍內(nèi)，電流檢測架構(gòu)將提供更好的共模抑制。

外部輸入濾波的影響：如果要在高端電流檢測應(yīng)用中使用輸入濾波，則該架構(gòu)可能具有很高的影響力。用于平滑輸入噪聲和電流尖峰影響的輸入濾波器通常如圖6所示實現(xiàn)。

由于每個器件（無論其架構(gòu)如何）都具有一定的輸入電阻，因此串聯(lián)的任何外部電阻都會產(chǎn)生不匹配，導(dǎo)致增益和CMR誤差，通常計算如下（ R < sub> in 是指定的放大器輸入電阻）：

差動放大器的輸入電阻大于100千歐。對于AD8206，其中 R in = 200 kohm，如果使用200歐姆濾波電阻，額外的增益誤差將為~0.1％。假設(shè)電阻容差為1％，由于這些外部元件引起的共模誤差為-94 dB，因此它的貢獻(xiàn)無關(guān)緊要，因為它基本上埋沒在器件的80 dB指定CMR誤差中。

電流檢測放大器雖然具有更高的共模輸入阻抗，但其輸入串聯(lián)電阻通常低于5 kohm，以便將差分輸入電壓轉(zhuǎn)換為電流。對于AD8210，必須使用 R = 3.5 kohm（差分輸入阻抗）重新計算上述公式。在這種情況下，濾波電阻引起的額外增益誤差可能高達(dá)5.4％！此外，假設(shè)最壞情況下的外部電阻不匹配，CMR可能下降到59 dB。這對設(shè)備的性能影響很大，其典型精度提供的最大總誤差小于2％。

因此，在引入具有電流檢測架構(gòu)的輸入濾波器時必須小心。當(dāng)內(nèi)部電阻為5千歐或更小時，使用小于10歐姆的濾波電阻。這將確保保持電流檢測放大器的高原始精度。如上所示，更寬范圍的輸入濾波器電阻值可與差動放大器一起使用，因為高值輸入電阻不易受外部失配的影響。

過驅(qū)動輸入：在高端電流檢測應(yīng)用中，設(shè)計人員必須仔細(xì)考慮可能導(dǎo)致放大器在指定范圍之外工作的潛在事件。在典型的使用中，放大器的輸入意味著僅通過分流電阻器的負(fù)載電流流動引起的幾百毫伏不同，但是設(shè)備是否能夠承受輸入端出現(xiàn)幾伏特的故障條件？在這種情況下，差異放大器架構(gòu)本質(zhì)上更穩(wěn)健，并且一旦系統(tǒng)恢復(fù)正常，就更有可能繼續(xù)按預(yù)期運行。輸入電阻網(wǎng)絡(luò)可以簡單地將電流輸出到地;在65 V時，AD8206每輸入200 kohm，流通地為325μA。

如果使用電流檢測架構(gòu)，設(shè)計人員必須關(guān)注這些潛在問題。在第一個示例的情況下，像AD8210這樣的器件無法承受輸入端的大電壓擺幅。這些器件通常在輸入之間包括ESD保護(hù)二極管。該二極管通過大于約0.7V的電壓差正向偏置。該二極管的實際斷點變化，但是大的差分電壓（例如可從汽車電池獲得的那些）通常會由于電氣過載而導(dǎo)致器件損壞。

負(fù)電壓保護(hù)：在許多情況下，必須保護(hù)電流傳感器免受反向電池電壓的影響，尤其是在汽車應(yīng)用中。 差分放大器的電阻橋輸入可能是一個重要的生存因素。但是，設(shè)計人員必須檢查器件的絕對額定值，以確保輸入ESD二極管也設(shè)計為開啟，但僅在較大的負(fù)電壓下。

然而，電流檢測架構(gòu)在這種情況下并不是最佳的，因為輸入放大器及其相應(yīng)的輸入晶體管將直接連接到大的負(fù)電壓。由于輸入不應(yīng)承受較大的負(fù)直流電壓，因此電流檢測放大器的輸入ESD二極管通常設(shè)計為在輸入電壓范圍的指定低端之外導(dǎo)通。

此外，除負(fù) dc 電壓外，此類電流監(jiān)視器還可能受到負(fù)輸入瞬變的影響。這通常是PWM系統(tǒng)中的情況，其中當(dāng)控制FET接通和斷開時，電流分流監(jiān)控器的輸入共模電壓從地轉(zhuǎn)向電池。同樣，必須仔細(xì)考慮絕對最大額定值，這主要取決于器件的輸入ESD二極管。如前所述，差動放大器受高輸入電阻的保護(hù)，并且基本上不受負(fù)瞬變的影響。因此，ESD二極管通常設(shè)計用于鉗制大的負(fù)電壓。但是，當(dāng)使用電流檢測架構(gòu)時，即使持續(xù)時間非常短的負(fù)瞬態(tài)也會使輸入ESD保護(hù)跳閘，該保護(hù)設(shè)計為在接近器件輸入共模額定值的電壓下導(dǎo)通。雖然此類脈沖通常不會攜帶足夠的能量來損壞AD8210的ESD單元，但這方面的性能因器件而異。為確保不會出現(xiàn)復(fù)雜情況，應(yīng)在實際系統(tǒng)中測試此參數(shù)。

輸入偏置電流：在電源管理很重要且甚至必須考慮小泄漏的應(yīng)用中，兩種架構(gòu)的不同輸入結(jié)構(gòu)要求考慮輸入偏置電流。例如，在電池電流感應(yīng)系統(tǒng)中，兩種架構(gòu)都將監(jiān)控高端電流。但是，當(dāng)系統(tǒng)關(guān)閉并且當(dāng)前監(jiān)視器的電源關(guān)閉時，輸入仍然連接到電池，電阻輸入中固有的接地路徑差分放大器的網(wǎng)絡(luò)（如AD8206）需要一個繼續(xù)消耗電池電流的偏置電流。另一方面，由于具有非常高的輸入共模阻抗（AD8210> 5 Mohm），使用電流檢測架構(gòu)的器件不會耗盡電池電流，因為幾乎沒有電流會通過其輸入流到地。

結(jié)論

高端電流檢測是汽車，電信，消費和工業(yè)應(yīng)用中的普遍要求。現(xiàn)在市場上提供集成的高壓差分和電流檢測放大器來執(zhí)行此功能。根據(jù)應(yīng)用中的精度和生存要求，系統(tǒng)工程師需要仔細(xì)查看哪種類型的電流傳感器最適合其系統(tǒng)。典型的考慮因素總結(jié)在下表中。

兩種類型的電流監(jiān)視器都能完成這項工作，但不同架構(gòu)所帶來的優(yōu)勢伴隨著明顯的權(quán)衡。對于瞬時電流監(jiān)測，電流檢測放大器的寬帶寬是最合適的，而監(jiān)測平均電流的應(yīng)用可以通過差分放大器拓?fù)淙菀椎靥峁４送猓瑢﹄娏飨拿舾械碾娫垂芾響?yīng)用受益于電流檢測放大器，其最小輸入斷電偏置電流消耗。但是，高端電流檢測放大器的輸入結(jié)構(gòu)在實現(xiàn)外部濾波器時可能會限制性能，需要仔細(xì)檢查以確保在惡劣的應(yīng)用環(huán)境中不超過其絕對輸入額定值。