高端電流檢測電路及原理

摘要: 本文介紹低端、高端檢流電路的結構和它們的應用。關鍵詞：電流檢測 限流 電流測量技術具有極為廣泛的應用，許多系統(tǒng)中都需要檢測流入、流出電流的大小。例如，電流保護/電流監(jiān)測設備、4-20mA 電流環(huán)系統(tǒng)、可編程電流源、線性/開關模式電源、以及需要掌握流入流出電流比例的充電器或電池電量計量器。由于很多應用是便攜式的，因此電流檢測電路還必須具有小體積、低功耗的特性。
高端/低端檢流電路
　　低端檢流電路的檢流電阻串聯(lián)到地(圖1），而高端檢流電路的檢流電阻是串聯(lián)到高電壓端(圖2）。兩種方法各有特點：低端檢流方式在地線回路中增加了額外的電阻，高端檢流方式則要處理較大的共模信號。
　　圖1 所示的低端檢流運放以地電平作為參考電平，檢流電阻接在正相端。 運放的輸入信號中的共模信號范圍為：(GNDRSENSE*ILOAD）。盡管低端檢流電路比較簡單，但有幾種故障狀態(tài)是低端檢流電路檢測不到的，這會使負載處于危險的情況，利用高端檢流電路則可解決這些問題。
　　高端檢流電路直接連到電源端，能夠檢測到后續(xù)回路的任何故障并采取相應的保護措施，特別適合于自動控制應用領域，因為在這些應用電路中通常采用機殼作為參考地。
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傳統(tǒng)高端檢流電路
　　傳統(tǒng)的高端/低端檢流方式有多種實現(xiàn)方案，絕大多數基于分立或半分立元件電路。高端檢流電路通常需要用一個精密運放和一些精密電阻電容，最常用的高端檢流電路采用差分運放做增益放大并將信號電平從高端移位到參考地(圖3）：
????VO=IRS*RS；R1=R2=R3=R4
　　該方案已廣泛應用于實際系統(tǒng)中，但該電路存在三個主要缺點：
1）輸入電阻相對較低，等于R1；
2）輸入端的輸入電阻一般有較大的誤差值；
3）要求電阻的匹配度要高，以保證可接受的CMRR。任何一個電阻產生1%變化就會使CMRR 降低到46dB；0.1%的變化使CMRR 達到66dB，0.01%的變化使CMRR 達到86dB。高端電流檢測需要較高的測量技巧，這促進了高端檢流集成電路的發(fā)展。而低端電流檢測技術似乎并沒有相應的進展。
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采用集成差分運放實現(xiàn)高端電流檢測
　　采用差分運放進行高端電流檢測的電路更便于使用，因為近期推出了許多種集成電路解決方案。集成電路內部包括一個精密運放和匹配度很好的電阻，CMRR 高達105dB 左右。MAX4198/99 就是這樣的產品，它的CMRR 為110dB，增益誤差優(yōu)于0.01%，而且采用小體積的8 引腳mMAX 封裝。
　　專用高端檢流電路內部包含了完成高端電流檢測的所有功能單元，可在高達32V 的共模電壓下檢測高端電流，并提供與之成比例的、以地電平為參考點的電流輸出。需要對電流做精確測量和控制的應用，如電源管理和電池充電控制，都適合采用這種方案。
　　MAXIM 的高端檢流運放中所使用的檢流電阻放置在電源的高端和被檢測電路的電源輸入端之間，檢流電阻放在高端不給地線回路增加額外阻抗，這項技術提高了整個電路的性能并簡化了布版要求。
　　MAXIM 推出了一系列雙向或單向電流檢測IC，有些雙向電流檢測IC 內置檢流電阻，可檢測流入或流出被檢電路的電流大小并通過一個極性指示引腳顯示電流方向。增益可調的電流檢測IC、固定增益（+20V/V，+50V/V，或+100V/V）電流檢測芯片或包括單雙比較器的固定增益電流檢測IC，都采用小體積封裝，如SOT23，可滿足對尺寸要求苛刻的應用。圖4 是用MAX4173 構成的高端電流檢測電路。
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　　圖中輸出電壓與檢流電阻的關系式為：
Vo=RGD*(Iload*Rsense)/RG1)*b 式中b 為鏡像電流系數
　　上式可進一步簡化為: Vo=Gain*Rsense*Iload;Gain= b*RGD/RG1
Gain 分別為：20(MAX4173T)，50(MAX4173F)，100(MAX4173H).
　　通過以上計算公式可看出，CMRR 由內部集成檢流電路的工藝決定(典型值>90dB），不再受外部電阻的影響。
　　采用集成檢流電路有以下優(yōu)點：
1、器件的一致性好
2、極好的溫漂特性
3、體積小
4、低功耗
5、使用方便?
選擇檢流電阻的注意事項
　　檢流電阻RSENSE 應根據以下幾條原則進行選擇：
1、電壓損耗：檢流電阻阻值過大會引起電源電壓以IR 的數值降低。為了減少電壓損耗，應選用小阻值的檢流電阻。
2、精度：較大的檢流電阻可以獲得更高的小電流的測量精度。這是因為檢流電阻上的電壓越大，運放的失調電壓和輸入偏置電流的影響就相對越小。
3、效率和功耗：當電流較大時，RSENSE 上的功耗I2R 就不能忽略。在考慮檢流電阻和功耗時，需要注意這一點。如果允許檢流電阻發(fā)熱，則電阻阻值可大一些。
4、電感：如果ISENSE 包含大量高頻成分，則檢流電阻的電感量要很小。線繞電阻的電感最大，金屬膜電阻比較好。
5、成本：如果合適的檢流電阻的價格太高，則可采用另一種替代方案(圖5）。它采用電路板的印制線作為檢流電阻。由于印制板銅線“電阻”并不精確，電路里需要一個電位器調節(jié)滿量程電流值。另外，銅線的溫漂較大(大約為0.4%/℃），在寬溫度范圍下工作的系統(tǒng)需要考慮這一點。
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可調節(jié)的線性電流源
　　可調節(jié)線性電流源(圖6)是利用高端電流檢測器構成的一個典型應用電，IC1 將R1 電流轉換成相應比例的電壓信號，控制穩(wěn)壓芯片IC2 產生一個穩(wěn)定的輸出電流，D/A 轉換器可以提供IOUT 的數字控制。要達到12 BIT 精度(60mA 每LSB)的要求，可使用并行接口的MAX530 或串行接口的MAX531。10 BIT 精度(250mA 每LSB)，則可使用并行接口的MAX503 或串行接口的MAX504。