簡化電流感應,如何使用電流檢測放大器進行設計（一）

目錄

第1章：電流檢測概述,集成電阻器電流傳感器如何簡化PCB設計（√）

多通道電流監(jiān)測的常見用途

使用數(shù)字電流傳感器進行功耗和能耗監(jiān)測

使用電流檢測放大器的PLC系統(tǒng)中分立式數(shù)字輸出的安全和保護

簡化電池測試設備中的電壓和電流測量

第 2 章：超出范圍電流測量 測量電流以檢測超出范圍的情況

第 3 章：開關系統(tǒng)中的電流檢測具有增強型PWM抑制功能的低漂移、精密直列式電機電流測量

第4章：集成電流檢測信號鏈 集成電流檢測信號路徑

第5章：寬VIN 和隔離式電流測量 將差分輸出（隔離式）放大器連接到單端輸入ADC

簡介

在解決與為成本優(yōu)化型應用設計精確電流測量電路相關的難題時，設計人員面臨著很多選擇。方法非常廣泛，從使用通用運算放大器或模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)（無論是獨立工具還是嵌入到微控制器 (MCU) 中），到利用各種專門為電流檢測而設計的定制組件，不僅 可以提供最大的靈活性，而且能夠以特定方式 解決難題。 

另一個難題是如何快速有效地縮小選擇范圍，找到 與您的特定系統(tǒng)要求最為匹配的潛在器件。TI 應 用手冊通過解決特定用例，重點介紹如何識別 電路/功能問題，以及簡要介紹與該功能 相關的任何難題，從而讓上述難題迎刃而解。此外，TI 應用手冊還概述了能夠支持該特定功能的 潛在器件的簡短列表，以及可能有益于其他電路優(yōu) 化的一些替代解決方案。

該電子書中所述的應用手冊集沒有詳盡地列出所有 電流檢測難題和 TI 應用手冊，但它確實解決了當 今出現(xiàn)的許多更加常見且具有挑戰(zhàn)性的功能電路。 如果您對此處涉及的主題有任何疑問或者有任何其 他電流檢測疑問，請將其提交至 TI E2E^TM 社區(qū)中的放大器論壇。

第 1 章：電流檢測概述

集成電阻器電流傳感器如何簡化PCB設計

測量電流的最常用方法是檢測分流器或電流檢測電阻器上的壓降。為了實現(xiàn)高度精確的電流測量，您需要檢查電阻器和電流檢測放大器的 參數(shù)值。電流檢測電阻器和電流檢測放大器之間恰 當?shù)牟季謱τ诒苊饩认陆刀苑浅Ｖ匾?/p>

圖1顯示了電流檢測放大器的典型原理圖，其中 以陰影部分顯示了高側(cè)電流檢測和重要設計區(qū)域的連接。

圖1：以陰影部分顯示錯誤源的高側(cè)電流檢測 使用電流檢測放大器時，電流檢測或分流電阻器的選擇 是最重要的設計考量因素之一。

設計時，通常需要首先 選擇電阻器值和功率。電阻器的電阻值通常根據(jù)最大預期電流時實現(xiàn)所 需最大差分電壓來選擇。還可以根據(jù)功率損耗預算來選 擇電阻器值。

確定電流檢測電阻器的電阻值和功率后，要考慮的第二 個參數(shù)就是電阻器容差，因為這將直接 影響檢測的電壓和電流測量的精度。不過，設計人員通常會忽略一個更細微的參數(shù) - 電阻器溫度系數(shù)。溫度系數(shù)通常 以百萬分率/攝氏度為單位，它很重要，因為電阻器的 溫度會因電流經(jīng)過組件時損耗的功率而升高。低成本電阻器的額定容差通常小于 1%，但在實際應用中，電阻 器的溫漂會帶來不利影響。

在您選擇電阻器之后，您需要注意其印刷電路板 (PCB) 布局以獲得準確的測量結果。為了準確測量電流，電流 檢測電阻器必須有四個連接。兩個布置電流檢測電阻器時最常見的錯誤之一是將電流檢測 放大器輸入端連接到電流承載跡線，而不是直接連接到 電流檢測電阻器，如圖 2a 所示。圖 2b、2c 和 2d 顯 示了連接電流檢測電阻器的其他有效方法。

圖2：電流檢測電阻器布局技術

圖 2d 中的布局展示了到電流檢測電阻器的獨立四線（ 開爾文）連接。該技術最常用于分流電阻器的值低于 0.5mΩ 而且與電阻器連接串聯(lián)的焊接電阻明顯添加到總 體分流電阻的情況。由于電阻精度很大程度上取決于制 造電阻時所用的測量位置，因此很難知道 哪種布局技術會在最終的 PCB 設計上取得最好的結果。 如果電阻器值是在焊盤內(nèi)部測量的，那么圖 2c 中展示 的布局會提供最佳的測量結果。 如果電阻器值是在側(cè)面 測量的，那么圖 2b 中展示的布局會提供最高的精 度。。選擇最佳布局的困難之處在于，許多電阻器產(chǎn) 品說明書并不針對獲得最佳的電流檢測精度提供布局建 議，也不提及制造過程中使用的測量點。 

將電流檢測放大器與集成的電流檢測電阻器搭配使用 可以簡化有關電阻器選擇和 PCB 布局的難題。TI 的INA250、INA253和INA260器件在電流檢測放大器 的封裝內(nèi)集成了電流檢測電阻器。 與電流檢測電阻器 的連接已經(jīng)過優(yōu)化，可實現(xiàn)最佳測量精度和溫度穩(wěn)定 性。INA250 和 IAN253 是模擬輸出電流檢測放大器，而 INA260 是數(shù)字輸出電 流傳感器，可通過 I2C/系統(tǒng)管理總線 (SMBus) 接口報 告電流、功耗和總線電壓。

圖3是包含電阻器連接的 INA250 的方框圖。

在 -40°C 到 125°C 的溫度范圍內(nèi)是 0.75%。對于沒 有集成分流電阻器的器件，計算精度時必須考慮到器件 增益誤差、增益誤差漂移、電阻容差和電阻器漂移，才 能獲得總體系統(tǒng)增益誤差，因此可能很難挑選組件來滿 足總體系統(tǒng)精度規(guī)格。INA253 是一款能夠承受 80V 電 壓的器件，它還在 -40°C 至 125°C 溫度范圍內(nèi)具有 0.75% 的 溫度范圍.INA260 是一款數(shù)字電流輸出器件，具有 0.15% 的最大總室溫增益誤差。該總增益誤差已包括集 成電阻器的變化和電流檢測 放大器的增益誤差。到電流檢測電阻器的連接位于封裝 內(nèi)部，并針對每個器件進行了校準，以消除電阻器連接 點導致的變化。 

在需要精確電流測量的設計中，集成的分流產(chǎn)品可提 供更高的精度，而且可以降低總體解決方案成本。要使 INA260 實現(xiàn)類似的精度，需要使用增益誤差小于 0.1% 的電流檢測放大器和初始容差小于 0.05% 的低漂移電阻器。 一般來說，精度小于 0.1% 的大功率電阻器成本高 昂，每 1,000 件可能需要數(shù)美元。

INA260 中的集成電阻器的另一個優(yōu)勢是電阻器值已經(jīng) 過校準，是在內(nèi)部設置的，因此返回的電流值可輕松轉(zhuǎn) 換為安倍數(shù)。其他數(shù)字解決方案需要在內(nèi)部或主機處理 器中對電流檢測電阻器的值進行編程，以便返回的電流 讀數(shù)可以相應地轉(zhuǎn)換。

 INA250、INA253 和 INA260 中使用的 集成分流技術可精確測量電流，降低布局復雜性，更 好地了解總系統(tǒng)誤差，并且成本比同等精度的其他解 決方案要低。在需要精密操作且需要支持高于 15A 的 電流的應用中，您可以使用在菊鏈配置中并聯(lián)多個 IN A250 或 INA253器件（如其產(chǎn)品說明書中所示），或 者使用多個 INA260 器件（只要主機處理器可以 匯總報告的電流讀數(shù)即可）。如果由于解決方案的大小 而導致并聯(lián)多個器件來監(jiān)測高于 15A 的電流是不可行 的，表 1 中列出了您可以用來監(jiān)測較高電流的器件（使 用外部分流電阻器）。

多通道電流監(jiān)測的常見用途

隨著對系統(tǒng)智能和功效的需求不斷增長，對更佳的重要 系統(tǒng)電流監(jiān)測的需求也變得越來越強烈。 在過去，配置為差分放大器的多個運算放大器或分布在 系統(tǒng)中的多個電流監(jiān)測放大器可能會執(zhí)行此類監(jiān)測。但 隨著電流監(jiān)測通道數(shù)的增加，實現(xiàn)解決方案所需的外部 組件的數(shù)量也在增加。這些額外的組件增加了設計復雜 性和解決方案尺寸，并且可能降低整體電流監(jiān)測精度。 例如，考慮一個需要測量兩個電流的情況，如圖1所示。 

圖 1：分立式與集成式電流檢測解決方案

在這種情況下，基于運算放大器的解決方案需要使用八 個電阻器（用于設置增益）、兩個旁路電容器和兩個電 流檢測電阻器。使用INA2180實現(xiàn)的相同電路僅需要 兩個電流檢測電阻器和單個旁路 能量諧振造成的。由于集成式增益設置電阻器匹配良 好，因此 INA2180 解決方案的精度遠高于具有成本效益 的分立式實現(xiàn)。集成式增益設置電阻器 可實現(xiàn)精度更高的監(jiān)測，或允許使用容差更寬的電流檢 測電阻器，以實現(xiàn)低成本應用。INA2180 和INA2181系列也更靈活，因為它們可以監(jiān)測電壓高于電源電壓的 電阻器上的壓降。

除了簡化設計流程和減少外部組件數(shù)量之外，在單個封裝中使用多個電流監(jiān)測器件可實現(xiàn)多種常見的應用解決 方案。 例如，考慮圖 2 所示的應用，其中外部模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 監(jiān)測存儲器和處理器消耗的總電流。

圖 2：監(jiān)控兩個電源軌中的總電流

一種方法是監(jiān)測中央處理器 (CPU) 和存儲器電流，將電 多路復用到 ADC，然后在微處理器中 將結果值加在一起。這種方法需要一些數(shù)學處理（以及 ADC），從而以足夠快的速率連續(xù)對輸出進行采樣，以使 其有效。更好的方法是使用 INA2181 的 REF 引腳將存 儲器消耗的電流與 CPU 消耗的電流相加。您可以通過將 通道 1（用于監(jiān)測存儲器電流）的輸出連接到 REF2 來 實現(xiàn)這一點，如圖 3 所示。

圖 3：使用 INA2181 對模擬電流進行求和

通道2的輸出將是來自CPU和存儲器的電流的放大總和。ADC 可以監(jiān)測來自存儲器的電流和總電流。但由于通道2的輸出是模擬信號，因此具有適當設置參考值的 比較器可在發(fā)生過流情況時中斷系統(tǒng)。為使該電路正常 工作，兩個檢測電阻器的值必須相同。

多通道電流監(jiān)視器的另一個方便用途是檢測意外的泄漏路徑。這些泄漏路徑可能是由意外的接地短路或其他一些不在電流測量路徑中的電勢導致的。檢測漏電流路徑的一種技術是監(jiān)測進出電路的所有電流。只要不存在意外的泄漏路徑，流進負載的電流就一定等于流出的電流。 如果進入電流相等，則不會檢測到意外的電流泄漏 徑。

使用雙電流監(jiān)視器提供了一種用于檢測漏電流路徑的簡單技術，無需使用多個器件，也不必從外部添加或減去電流。圖 4 中顯示的電路使用 INA2181 來監(jiān)測流進和 流出負載的電流。通過反轉(zhuǎn)第二個放大器的電阻器連接 的極性并將第一個放大器的輸出連接到第二放大器，可 以從流出負載的電流中減去流進的電流。

圖 4：使用 INA2181 進行電流消減以實現(xiàn)漏電流檢測

如果 OUT2 處的電壓等于施加的基準電壓，則不存在泄 漏路徑。如果V_OUT2高于施加的基準電壓，則有意外的 電流流出負載。類似地，如果 VOUT2低于 基準電壓，則有意外的漏電流流進負載。像以前一樣， 為了使該電路 正常運行，電流檢測電阻器的值必須相等。 

TI 提供了多種多通道電流監(jiān)測解決方案。為了監(jiān)測四個通道，INA4180和 INA4181 器件提供了一個模擬電壓輸出。INA3221 能夠精確測量最多三個獨立通道的系統(tǒng)電 流和總線電壓。通過I2C兼容接口報告電流和電壓值。