通过利用差动放大器与电流检测放大器执行高边电流检测功能

在许多应用中都需要精确的高端电流检测，包括电机控制，电磁阀控制和电源管理（例如，DC-DC转换器和电池监控）。在这些应用中，高端电流监测 - 而不是返回 - 可以提高诊断能力，例如确定接地短路和连续监测再循环二极管电流 - 并通过避免引入来保持接地路径的完整性分流电阻。图1,2和3描述了用于电磁阀和电机控制的典型高侧电流分流配置。

在上面显示的所有配置中，分流电阻上的脉冲宽度调制（PWM）共模电压 - 监视负载电流 - 从整个范围从地面到电池摆动。该PWM输入信号将具有由功率级到FET的控制信号建立的周期，频率和上升/下降时间。因此，监测分流电阻两端电压的差分测量电路需要非常高的共模抑制和高压处理能力的严格组合，以及高增益，高精度和低偏移 - 所有这些都是为了提供负载电流值的真实表示。

在使用单个控制FET的电磁阀控制（图1）中，电流始终以相同方向流动，因此单向电流传感器就足够了。在电机控制配置中（图2和图3），将分流器置于电机相位意味着分流电阻器中的电流可以双向流动;因此，双向电流传感器是必要的。

研究高端电流检测功能选择的设计人员将从许多半导体供应商那里找到各种选择。然而，一个关键的发现是，这些集成电路器件中的选择可以根据两种截然不同的高压架构进行分类：电流检测放大器和差分放大器

我们将在这里确定并解释这些架构之间的一些关键差异，以帮助需要高端电流检测的设计人员选择最适合应用的器件。我们将比较两个高压部件，AD8206双向差动放大器和AD8210双向电流检测放大器。两款器件均提供相同的引脚排列，均可执行高端电流分流监控，但其规格和架构不同。那么，如何考虑哪种设备最适合应用？

工作原理

AD8206（图4），集成高压差动放大器，通过使用输入电阻将输入电压衰减16.7：1，可以承受高达65 V的共模电压，从而将共模电压保持在放大器A1的输入范围内。不幸的是，输入电阻网络也将差分信号衰减相同的值。为实现AD8206的20 V / V增益，放大器A1和A2实际上必须将差分信号放大约334 V / V.

该器件通过将输出放大器偏置到电源范围内的合适电压来实现双向输入测量。通过将外部低阻抗电压施加到连接到A2正输入的精确调整的电阻分压器来实现偏移。该器件的一个有用特性是，当共模电压负高达2 V时，能够正确放大差分输入电压 - 这是250 mV共模偏置电路的结果如图所示。

AD8210（图5）是最近推出的高压电流检测放大器，提供与AD8206相同的功能关系，并使用相同的引脚连接。但是，它的工作方式不同，所得到的规格与差动放大器不同。

一个明显的区别是输入结构不依赖于电阻衰减网络来处理大的共模电压。输入放大器包括高压晶体管，可在XFCB IC制造工艺中使用。由于暴露在此电压下的所有晶体管的V CE 击穿超过65 V，因此输入端的共模电压可高达65 V.

AD8210等电流检测放大器以下列方式放大小差分输入电压。输入端子通过R1和R2连接到差分放大器A1。 A1通过晶体管Q1和Q2调节通过R1和R2的电流，使出现在其输入端子上的电压为零。当AD8210的输入信号为0 V时，R1和R2中的电流相等。当差分信号非零时，电流通过其中一个电阻增加而另一个减小。电流差与输入信号的大小和极性成比例。通过Q1和Q2的差分电流通过两个内部精密调整电阻转换为以地为参考的差分电压。然后可以通过放大器A2放大此电压，这次使用由器件的5V（典型值）电源供电的低压晶体管，产生最终输出，总增益为20。

具有这种架构的电流检测放大器通常仅在输入共模电压保持在2 V或3 V以上时才有用，并且如果应用不要求输入共模电压一直接地（或以下）。但是，AD8210使用上拉电路将放大器A1的输入保持在5V电源附近，即使输入共模电压低于 5 V，也一直保持在因此，在远低于器件5V电源的共模电压下，可以进行精确的差分输入电压测量。

很明显，电流检测放大器和差动放大器在完全不同的情况下执行相同的功能。差分放大器衰减高输入电压，使信号达到放大器可以承受的水平。电流检测放大器将差分输入电压转换为电流，然后再转换为以地为参考的电压;由于其高压制造工艺，其输入放大器能够承受大的共模电压。两种架构之间的差异自然会导致设计人员在选择高端电流监控解决方案时必须考虑的性能差异。制造商的数据表通常提供所需的大部分信息，以便根据准确度，速度，功率和其他参数正确判断使用哪种类型的设备。但是，在阅读数据表时，器件架构中固有的一些关键差异并不是很明显，但它们可能是必不可少的设计考虑因素。以下是工程师必须了解的关键点，以获得最佳解决方案。

带宽：由于输入衰减，许多差动放大器的带宽通常约为电流检测放大器的五分之一。然而，差分放大器的较低带宽对于大多数应用来说仍然是足够的。例如，许多电磁控制应用的运行频率低于20 kHz，但由于噪声考虑，电机控制通常必须在20 kHz或更高频率下运行。电磁阀控制通常涉及查看平均电流，差分放大器的带宽非常适合该应用。另一方面，对于电机控制，瞬时电流是关键，特别是在电机相位测量时;因此，具有更高带宽的电流传感器架构将更真实地表示实际电机电流。

共模抑制：这两种架构之间输入结构的差异也会导致CMR性能的差异。差动放大器通常具有微调输入电阻，跟踪精度为0.01％。这种匹配程度通常会在直流时产生80 dB的CMR保证。具有晶体管输入结构的电流检测放大器可以获得更好的匹配，因此CMR（不再依赖于输入电阻匹配）通常可以指定在100 dB以上，除非共模电压较低。例如，当输入共模电压低于5 V时，AD8210提供与差分放大器相同的80 dB。在此电压范围内，由于上述内部上拉电路，输入结构变为电阻;因此，CMR再次成为0.01％精密调整电阻匹配的函数。但是，在整个范围内，电流检测架构将提供更好的共模抑制。

外部输入滤波的影响：如果要在高端电流检测应用中使用输入滤波，则该架构可能具有很高的影响力。用于平滑输入噪声和电流尖峰影响的输入滤波器通常如图6所示实现。

由于每个器件（无论其架构如何）都具有一定的输入电阻，因此串联的任何外部电阻都会产生不匹配，导致增益和CMR误差，通常计算如下（ R < sub> in 是指定的放大器输入电阻）：

差动放大器的输入电阻大于100千欧。对于AD8206，其中 R in = 200 kohm，如果使用200欧姆滤波电阻，额外的增益误差将为~0.1％。假设电阻容差为1％，由于这些外部元件引起的共模误差为-94 dB，因此它的贡献无关紧要，因为它基本上埋没在器件的80 dB指定CMR误差中。

电流检测放大器虽然具有更高的共模输入阻抗，但其输入串联电阻通常低于5 kohm，以便将差分输入电压转换为电流。对于AD8210，必须使用 R = 3.5 kohm（差分输入阻抗）重新计算上述公式。在这种情况下，滤波电阻引起的额外增益误差可能高达5.4％！此外，假设最坏情况下的外部电阻不匹配，CMR可能下降到59 dB。这对设备的性能影响很大，其典型精度提供的最大总误差小于2％。

因此，在引入具有电流检测架构的输入滤波器时必须小心。当内部电阻为5千欧或更小时，使用小于10欧姆的滤波电阻。这将确保保持电流检测放大器的高原始精度。如上所示，更宽范围的输入滤波器电阻值可与差动放大器一起使用，因为高值输入电阻不易受外部失配的影响。

过驱动输入：在高端电流检测应用中，设计人员必须仔细考虑可能导致放大器在指定范围之外工作的潜在事件。在典型的使用中，放大器的输入意味着仅通过分流电阻器的负载电流流动引起的几百毫伏不同，但是设备是否能够承受输入端出现几伏特的故障条件？在这种情况下，差异放大器架构本质上更稳健，并且一旦系统恢复正常，就更有可能继续按预期运行。输入电阻网络可以简单地将电流输出到地;在65 V时，AD8206每输入200 kohm，流通地为325μA。

如果使用电流检测架构，设计人员必须关注这些潜在问题。在第一个示例的情况下，像AD8210这样的器件无法承受输入端的大电压摆幅。这些器件通常在输入之间包括ESD保护二极管。该二极管通过大于约0.7V的电压差正向偏置。该二极管的实际断点变化，但是大的差分电压（例如可从汽车电池获得的那些）通常会由于电气过载而导致器件损坏。

负电压保护：在许多情况下，必须保护电流传感器免受反向电池电压的影响，尤其是在汽车应用中。 差分放大器的电阻桥输入可能是一个重要的生存因素。但是，设计人员必须检查器件的绝对额定值，以确保输入ESD二极管也设计为开启，但仅在较大的负电压下。

然而，电流检测架构在这种情况下并不是最佳的，因为输入放大器及其相应的输入晶体管将直接连接到大的负电压。由于输入不应承受较大的负直流电压，因此电流检测放大器的输入ESD二极管通常设计为在输入电压范围的指定低端之外导通。

此外，除负 dc 电压外，此类电流监视器还可能受到负输入瞬变的影响。这通常是PWM系统中的情况，其中当控制FET接通和断开时，电流分流监控器的输入共模电压从地转向电池。同样，必须仔细考虑绝对最大额定值，这主要取决于器件的输入ESD二极管。如前所述，差动放大器受高输入电阻的保护，并且基本上不受负瞬变的影响。因此，ESD二极管通常设计用于钳制大的负电压。但是，当使用电流检测架构时，即使持续时间非常短的负瞬态也会使输入ESD保护跳闸，该保护设计为在接近器件输入共模额定值的电压下导通。虽然此类脉冲通常不会携带足够的能量来损坏AD8210的ESD单元，但这方面的性能因器件而异。为确保不会出现复杂情况，应在实际系统中测试此参数。

输入偏置电流：在电源管理很重要且甚至必须考虑小泄漏的应用中，两种架构的不同输入结构要求考虑输入偏置电流。例如，在电池电流感应系统中，两种架构都将监控高端电流。但是，当系统关闭并且当前监视器的电源关闭时，输入仍然连接到电池，电阻输入中固有的接地路径差分放大器的网络（如AD8206）需要一个继续消耗电池电流的偏置电流。另一方面，由于具有非常高的输入共模阻抗（AD8210> 5 Mohm），使用电流检测架构的器件不会耗尽电池电流，因为几乎没有电流会通过其输入流到地。

结论

高端电流检测是汽车，电信，消费和工业应用中的普遍要求。现在市场上提供集成的高压差分和电流检测放大器来执行此功能。根据应用中的精度和生存要求，系统工程师需要仔细查看哪种类型的电流传感器最适合其系统。典型的考虑因素总结在下表中。

两种类型的电流监视器都能完成这项工作，但不同架构所带来的优势伴随着明显的权衡。对于瞬时电流监测，电流检测放大器的宽带宽是最合适的，而监测平均电流的应用可以通过差分放大器拓扑容易地提供。此外，对电流消耗敏感的电源管理应用受益于电流检测放大器，其最小输入断电偏置电流消耗。但是，高端电流检测放大器的输入结构在实现外部滤波器时可能会限制性能，需要仔细检查以确保在恶劣的应用环境中不超过其绝对输入额定值。