电流检测放大器在高端电流监测中的应用

简介

电流测量是大多数能量采集设计和一般功率敏感电子应用的基本要求。测量电流的能力在广泛的应用中很重要，但在与能量产生和存储相关的能量收集应用中通常是至关重要的。对于能量产生，电流感测提供了防止诸如过电流之类的故障所需的反馈和控制中的关键因素。对于电池组中的能量存储，测量电池单元电流放电的能力对于确保最大化电池寿命所需的安全充电和放电周期至关重要。

在大多数应用中，电流测量通常依赖于电压的精确测量低侧检测电阻串联接地(图1a)，或与电源串联的高侧检测电阻(图1b)。

图1：工程师可以在负载的低(a)或高压侧(b)实现电流测量，每种方法都有其优缺点(线性技术提供)

低端电流测量通常可以采用传统的差分放大器，这为这种类型的测量提供了一种简单有效的方法。另一方面，低侧电流测量存在一些明显的缺点。低负载检测电阻位于负载和地之间，可防止负载直接接地。此外，如果负载意外接地，这种配置可能导致危险的高电流(图2)。

图2：低端电流测量可能导致危险 - 如果负载意外接地，则为高电流(由Maxim Integrated提供)

高端测量

高端测量消除了这些问题，允许负载保持与地面的直接连接，同时提供了一种方法检测意外短路引起的高负载电流。高端电流监控在电池供电系统中尤其有用，因为它不会干扰电池充电器的接地路径。但是，高端测量会对设备选择和操作带来额外的要求。对于这种测量配置，采用差分放大器的传统方法效率较低，因为差分放大器的输入电阻存在显着差异，需要确保使用非常匹配的电阻来获得可接受的共模抑制比。

IC制造商已经采用一类专用电流检测放大器(也称为电流分流监控器)来满足对改进的高端电流测量的需求，能够为测量电流提供可靠的解决方案。特别是对于能量收集设计，电流检测放大器通常优于差动放大器。与差动放大器不同，电流检测放大器的设计工作输入电平超过器件自身的电源电压。

INA282等器件可以在-14至+80 V的共模电压下检测分流器的压降。与电源电压无关。同时，电流检测放大器具有极低的失调特性，即使在最低电压电平下也能实现精确测量。对于TI INA282，其低偏移使电流检测能够在分流器上实现最大压降，满量程低至10 mV。

电流检测放大器还具有高共模抑制比，即使在相对处理时也能保持高精度高压和共模噪声。由于电流检测放大器可以在输入端获得更好的匹配，因此共模抑制不再依赖于输入电阻匹配。

与其他方法不同，电流检测放大器不需要电阻网络来衰减高压输入水平。实际上，这些器件可以与小型分流电阻一起使用，所有这些都可以在运行期间实现极低的功耗。 TI的INA282采用+2.7至+18 V单电源供电，最大电源电流为900μA。与低功耗睡眠模式相结合，电流检测放大器通常为功率敏感的能量收集应用提供比早期方法更有效的解决方案。

多种选择

设计人员可以找到各种电流检测放大器，以满足特定的带宽，电流和封装要求。除TI INA282等电压输出器件外，设计人员还可以找到电流输出器件，如凌力尔特公司的LTC6102，它集成了将输入电压转换为输出电流的电路(图3)。

图3：除了可用的电压输出电流检测放大器外，凌力尔特公司LTC6102等器件还包括用于产生电流输出的内部电路(由Linear Technology提供)

适用于要求极低功耗的应用，Maxim Integrated MAX9938和Touchstone Semiconductor TS1102系列具有1μA(典型值)电源电流。两者均具有+ 25°C时的极低输入失调电压，MAX9938提供±100μV(典型值)和±500μV(最大值)，而外形尺寸兼容的TS1102具有±30μV(典型值)和±200μV (最大值)。这两款器件均支持低电源电压工作，MAX9938工作电压低至1.6 V，TS1102系列工作电压低至2 V。

对于高速控制环路，设计人员可以找到增益带宽产品的设备百kHz至超过1 MHz。 I公司的ADM4073提供1.8 MHz的增益带宽积，特别适合用于电池充电器控制环路。同样，Maxim Integrated MAX9611的增益带宽积为2.5 MHz。

数字输出

虽然电流检测放大器通常提供电流或电压输出，但工程师可以找到直接与MCU接口的器件。 MAX9611集成了I²C控制的12位，500采样/s ADC，可用于读取检测电阻，输入共模电压，运算放大器/比较器输出，运算放大器/比较器两端的电压。参考电压和内部芯片温度。 I²C总线兼容1.8和3.3 V逻辑，可轻松连接MCU。

设计人员还可以找到多通道版本的数字输出电流监视器。 Maxim Integrated提供具有I²C串行接口的双通道MAX34408，而TexasInstruments INA3221则是具有I²C接口的三通道器件。两款器件都使用类似的多路复用输入连接到信号链头部的高速ADC，用于监控各种故障，如过流(图4)。

图4：多通道德州仪器(TI)INA3221等电流检测放大器将每个输入通道复用到片内ADC，通过I²C接口向MCU产生数字输出(由德州仪器公司提供)

结论

电流检测放大器提供这些优势使其成为基于差分放大器的传统设计的高端电流监测的首选解决方案。除了高带宽和共模特性外，这些器件还具有高精度和极低功耗的特点。利用可用的电流检测放大器，工程师可以实现针对能量收集应用而优化的高端电流测量电路。

审核编辑：汤梓红