使用集成的双向电流检测放大器高效实现电流监控

越来越多的应用需要快速准确的电流监控，包括自动驾驶汽车、工厂自动化和机器人、通信、服务器电源管理、D 类音频放大器和医疗系统。在许多此类应用中，需要双向电流检测，但需要以最低的成本高效完成。

虽然可以使用一对单向CSA构建双向电流检测放大器（CSA），但这可能是一个复杂且耗时的过程。它涉及一个单独的轨到轨运算放大器，将两个输出组合成一个单端输出，或者在微控制器上使用两个模数转换器（ADC）输入，这需要额外的微控制器编码和机器周期。最后，使用两个单向CSA构建双向CSA（加上将它们集成到双向解决方案中所需的其他组件）可能会消耗更多的电路板空间，而更多的零件数量会降低可靠性并增加库存需求。最终结果可能是成本和设计进度超支。

相反，设计人员可以转向集成、高速、精确的双向 CSA。他们可以选择具有内部低电感分流电阻器的集成双向 CSA，以产生最紧凑的解决方案，也可以选择使用外部分流器的 CSA，以提供更灵活的设计和布局选项。

本文回顾了双向 CSA 的实施要求以及更集成的方法的好处。然后介绍[意法半导体]、[德州仪器]和[ADI]公司的示例器件，包括关键参数和差异特性。最后，本文介绍了如何开始使用这些器件进行设计，包括相关的参考设计/评估套件/开发套件，以及有关设计和实现的技巧。

如何使用两个单向 CSA

双向 CSA 电路可以使用两个单向 CSA 以多种方式构建（图 1）。ADI公司MAX4172ESA+T（如左例所示）不包括内部负载电阻，因此使用分立器件R一个和 R b .在右边的例子中，MAX4173TEUT+T具有一个内部12 kΩ负载电阻，用于将其电流输出转换为电压。

图 1：使用两个单向电流检测放大器的双向电流检测应用可以使用外部负载电阻（左）或内部负载电阻（右）来实现。（图片来源：ADI公司）

虽然不需要两个负载电阻，但MAX4173TEUT+T电路在其反馈中增加了一个1纳法拉（nF）电容，以稳定B部分的控制环路。在这两种情况下，两个CSA的输出电流均采用[MAX4230AXK+T]通用运算放大器组合。

这两种方法的零件数量都高于使用单个双向 CSA 所需的零件数量。除了更多的零件数量外，印刷电路板布局也更加复杂，因为两个单向CSA都需要放置在靠近V的位置意义电阻器。

使用双向 CSA 的应用示例

双向 CSA 是多功能设备，可用于各种应用。例如，可以在三相伺服电机系统中使用两个CSA来确定所有三相的瞬时绕组电流，而无需进一步计算或提供有关脉宽调制（PWM）脉冲相位或占空比的信息（图2）。

图 2：在三相伺服电机应用中，可以在第 1 相检测电阻上连接两个双向 CSA（R 感φ1 ） 和阶段 2 （R 感φ2 ） 以产生表示第三相绕组中电流的电压。（图片来源：ADI公司）

基尔霍夫定律指出，前两个绕组中的电流之和等于第三个绕组中的电流。电路使用两个[MAX40056TAUA+]双向CSA测量[MAX44290ANT+T]通用运算放大器中的两相电流。由于所有三个放大器具有相同的基准电压，因此会产生比率测量。

在另一个示例中，D 类音频放大器（单个双向 CSA，例如德州仪器的 [INA253A1IPW]可用于精确测量扬声器负载电流（图 3）。

Figure 3: In Class-D audio designs, a bidirectional CSA (INA253) can be used to implement speaker enhancements and diagnostics. (Image source: Texas Instruments)

Real-time measurements of speaker load current can be used for diagnostics and to optimize amplifier performance by quantifying key speaker parameters and changes in those parameters including:

• Coil resistance* Impedance of the speaker* Resonant frequency and peak impedance at the resonant frequency* Real-time ambient temperature of the speaker

Board layout tips and current shunt considerations

在实现电流检测电路时，寄生电阻和电感是一个问题。此外，过高的焊料和寄生走线电阻会导致检测误差。通常使用四端子电流检测电阻。如果不能选择四端子电阻，则应遵循开尔文印刷电路板布局技术（图 4）。

图 4：开尔文检测走线应尽可能靠近电流检测电阻上的焊接触焊盘。（图片来源：ADI公司）

将开尔文检测走线尽可能靠近电流检测电阻的焊接接触点，可最大程度地降低寄生电阻。开尔文检测走线的间距越宽，就会引入由额外的走线电阻引起的测量误差。

检测电阻的选择是最小化寄生电感的一个重要方面。封装电感应最小化，因为电压误差与负载电流成正比。通常，绕线电阻器具有最高的电感，标准金属膜器件具有中等电感。对于电流检测应用，通常建议使用低电感金属膜电阻器。

分流电阻的值是动态范围和功耗之间的权衡。对于高电流检测，建议使用低值分流器以最小化散热（I²R）。在低电流检测中，可以使用较高的电阻值来最小化失调电压对检测电路的影响。

大多数CSA依靠外部分流器来测量电流，但也有一些CSA使用内部分流器。虽然使用内部分流器可以产生更紧凑的设计，组件更少，但涉及一些权衡，包括：灵活性较低，因为分流器的值是预先确定的，与外部分流CSA相比，需要更高的静态电流，并且可以测量的电流量受到内分流器能力的限制。

高压精密双向CSA

意法半导体的[TSC2011IST]利用其精密特性，使用低电阻外部分流器，使设计人员能够最大限度地降低功耗（图5）。这种双向 CSA 设计用于在数据采集、电机控制、电磁阀控制、仪器仪表、测试和测量以及过程控制等应用中提供精确的电流测量。

图 5：TSC2011IST 包括一个关断引脚 （SHDN），可最大限度地节省能源，工作温度范围为 −40 至 125°C。 （图片来源：意法半导体）

TSC2011IST 具有 60 伏/伏 （V/V） 的放大器增益、集成电磁干扰 （EMI） 滤波器和 2 千伏 （kV） 人体模型 （HBM） 静电放电 （ESD） 容差（根据 JEDEC 标准 JESD22-A114F）。TSC2011 可以检测低至 10 毫伏 （mV） 满量程的压降，以提供一致的测量结果。其 750 kHz 的增益带宽积和 7.0 伏/微秒 （V/μs） 的压摆率相结合，可确保高精度和快速响应。

设计人员可以使用 [STEVAL-AETKT1V2]评估板快速开始使用 TSC2011IST（图 6）。它可以检测 -20 至 +70 V 宽共模电压范围内的电流。TSC2011IST 具有以下特点：

• 增益误差：0.3%（最大值）* 失调漂移：5 μV/°C 最大值* 增益漂移：百万分之十 （ppm）/°C 最大值* 静态电流：关断模式下为 20 微安 （μA）

图 6：STEVAL-AETKT1V2 评估板包括主板和包含 TSC2011IST 的子卡。（图片来源：意法半导体）

内部分流双向 CSA

德州仪器 （TI） 的 [INA253A1IPW] 集成了一个 2 mΩ、0.1% 低电感分流器，支持高达 80 V 的共模电压（图 7）。INA253A1IPW 为设计人员提供了增强型 PWM 抑制电路，以抑制较大的 dv/dt 信号，从而为电机驱动和电磁阀控制等应用实现实时连续电流测量。该内部放大器采用精密零漂移拓扑结构，共模抑制比 （CMRR） 为 >120 分贝 （dB） DC CMRR，在 90 kHz 时为 50 dB 交流 CMRR。

Figure 7: The INA253A1IPW bidirectional CSA, shown here in a typical application, has an internal current shunt and can measure ±15 A of continuous current from –40 to +85°C. (Image source: Texas Instruments)

Designers can accelerate the development of system designs based on the INA253A1IPW by using the test points on the associated INA253EVM evaluation board to access the CSA’s functional pins (Figure 8). The two-layer board measures 2.4 × 4.2 inches and is fabricated with 1 ounce (oz) copper.

Figure 8: The two-layer INA253EVM measures 2.4 × 4.2 inches and is fabricated with 1 oz copper. The bottom layer has no components but contains a solid copper ground plane that provides a low-impedance path for return currents. (Image source: Texas Instruments)

Minimal support circuitry is included on the pc board, and functions can be reconfigured, removed, or bypassed as needed. The INA253EVM provides the following features:

• Three INA253A1IPW devices* Easy access to all pins* Board layout and construction that supports ±15 A of current through the INA253 CSAs across the full –40 to +85°C temperature range* Place holders on the pc board for configurations other than the default configuration

The bottom layer has no components but contains a solid copper ground plane that provides a low-impedance path for return currents.

AEC-Q100 qualified bidirectional CSA

为了监视全桥电机控制、开关电源、螺线管和电池组以及汽车应用中的电流，设计人员可以使用ADI公司的[LT1999IMS8-20#TRPBF]（图9）。

图 9：LT®1999IMS8-20#TRPBF 是一款全桥电枢电流监视应用中的双向 CSA。（图片来源：ADI公司）

LT®1999IMS8-20#TRPBF 专为汽车应用提供 AEC-Q100 认证，并包括一种停机模式以最大限度地降低功耗。该器件使用外部分流器来测量流向和流向。它产生一个比例输出电压，该输出电压以电源电压和地之间的中间为基准。设计人员可以选择施加外部电压来设置参考电平。

LT1999IMS8-20#TRPBF 进入低功耗关断状态，当 V SHDN （引脚 8） 被驱动到距地 0.5 伏以内。如果在 1 至 0 伏范围内偏置（未施加差分电压），输入引脚 （+IN 和 –IN） 将消耗大约 80 纳安 （nA） 的电流。EMI 敏感性降低一个内部 1^圣^阶式差分低通EMI静噪滤波器，有助于抑制超出器件带宽的高频信号。

为了试验LT1999系列，ADI公司提供了[1698A]演示板。该板放大板载电流检测电阻两端的压降，并产生与流过电阻器的电流成比例的双向输出电压。设计人员可以从三个固定增益选项中进行选择;10 V/V （DC1698A-A）、20 V/V （DC1698A-B） 和 50 V/V （DC1698A-C）。

具有PWM抑制功能的双向CSA

为了在控制螺线管和电机等感性负载的设计中更好地抑制共模输入PWM边沿，设计人员可以使用MAX40056TAUA+（图10）。前面在图2中提到的MAX40056TAUA+为双向CSA，可以处理±500 V/μs或更高的压摆率。它的典型 CMRR 为 60 dB（50 伏，±500 伏/μs 输入）和 140 dB 直流。其共模范围为 -0.1 V 至 +65 V，包括低至 -5 V 的感应反冲电压保护。

Maxim MAX40056TAUA+示意图包括一个内部1.5V基准

图 10：MAX40056TAUA+ 包括一个内部 1.5 V 基准、增强型 PWM 抑制和集成的内部窗口比较器，用于检测正负过流情况（左下角，由 CIP 输入驱动）。（图片来源：ADI公司）

MAX40056TAUA+具有内部1.5V基准，可用于多种用途，包括：

• 驱动差分模拟数字转换器* 偏移输出以显示检测电流的方向* 将电流源入外部负载以减轻性能降低

当需要更高的满量程输出摆幅或电源电压高于 3.3 V 时，设计人员可以使用更高的外部基准电压源覆盖内部基准电压源。最后，设计人员可以使用内部或外部基准设置集成过流比较器的跳闸阈值，从而提供过流故障的即时信号。

[MAX40056TAUA+的MAX40056EVKIT#] 集成/MAX40056EVKIT/9838624）评估板为设计人员开发高精度、高压双向CSA应用（如电磁阀驱动器和伺服电机控制）提供了经过验证的平台。

结论

从汽车、工厂自动化和机器人到服务器电源管理、D 类音频放大器和医疗系统，各种应用都需要快速准确的电流监控。在许多情况下，需要双向电流检测。

幸运的是，设计人员可以从各种集成的双向CSA及其相关的开发平台中进行选择，以快速有效地实现快速准确的双向电流监控。