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檢測高階電流的各種技巧

發(fā)布時(shí)間:2018-02-23 來源:Michael Dunn 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】絕大多數(shù)直流電流檢測電路的核心設(shè)計(jì)思路,是從供電線路中的電阻下手。人們只需簡單地測量電阻兩端的電壓降,并根據(jù)需要調(diào)節(jié)阻值來讀取電流。如果檢測電阻在接地支路上,那么方案就是個簡單的運(yùn)算放大電路…
 
絕大多數(shù)直流電流檢測電路的核心設(shè)計(jì)思路,是從供電線路中的電阻下手(盡管磁場感應(yīng)是個好選擇,尤其是在電流較高的情況下)。人們只需簡單地測量電阻兩端的電壓降,并根據(jù)需要調(diào)節(jié)阻值來讀取電流(E=I×R,如果不包含這個,有人會抱怨)。如果檢測電阻在接地支路上,那么方案就是個簡單的運(yùn)算放大電路。一切都以地為參考,只需特別注意接地布局中的小電壓降就行了。
 
檢測高階電流的各種技巧
圖1 最明顯的高階電流檢測方案,使用差分放大器。
 
但通常首選方法是將檢測電阻置于電源線中。為什么?因?yàn)榻拥乜赡懿豢尚?例如,透過底盤接地汽車電子產(chǎn)品),或者你可能不希望設(shè)備接地與供電接地不同(這可能導(dǎo)致接地環(huán)路和其他問題)。那么,該怎么做?
 
最顯而易見的方法是在檢測電阻兩端跨接一個差分或儀表放大器(inamp),但實(shí)際上這算不上好方法。為了準(zhǔn)確檢測電流,通常需要極高的共模抑制(CMR),既昂貴又容易漂移。
 
為什么這么說呢?來看一個設(shè)計(jì)示例:0~10A、12V標(biāo)稱值、5mΩ的感測電阻。
 
這種方案甚至都不需考慮使用分立電阻,除非它們是精密匹配網(wǎng)絡(luò)的一部分(因此,當(dāng)然也就不是真正分立的)。對于1V的電源電壓偏移和80dB的差分放大器共模仰制比(CMRR),這意味著約0.01%的電阻匹配,你會看到相當(dāng)于20mA的電流漂移(1V變化、80dB的CMRR導(dǎo)致輸入0.1mV偏移,再除以5mΩ檢測電阻的5mV/A標(biāo)定)。
 
對于0~12V電源,在電壓范圍內(nèi)乘以12:電壓范圍內(nèi)240mA的偏移電流。請注意,真正的三運(yùn)算放大儀表放大器對電阻匹配的靈敏度比單運(yùn)算放大差分放大器低。但是,通常有更好的方法。
 
前文提到的「設(shè)計(jì)實(shí)例」使用了帶有分立電阻的單運(yùn)算放大差分放大器。實(shí)際上,一個電阻可以用一個電位器進(jìn)行調(diào)整,我最初認(rèn)為它用于CMRR,結(jié)果卻是增益調(diào)整!如果電源電壓穩(wěn)定,從某種意義上說,這種方法可行——但這絕不是一個好主意。
 
第二種高階檢測方法需要一點(diǎn)橫向思維。我改變思想,用V+而不是地作參考軌。這在概念上就像是負(fù)電壓源的低端檢測,如果能擺平它,這就是個很好的方案。
 
檢測高階電流的各種技巧
圖2 以V+為參考,對輸出做進(jìn)一步處理(例如,比較器)。R4可選,用于保護(hù)。
 
第三種方法目前在IC方案中很常見,它用晶體管和運(yùn)算放大器一起為電流測量提供地參考。當(dāng)我想到倒置運(yùn)算放大器時(shí),并不知道這個設(shè)計(jì),這可能是件好事,因?yàn)楣?jié)省了一個晶體管。
 
意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics)、Maxim和亞德諾(ADI)都提供此類組件,但你自己也很容易實(shí)現(xiàn)這樣的電路。
 
檢測高階電流的各種技巧
圖3 ST的TSC103在回路中使用了一個BJT。
 
檢測高階電流的各種技巧
圖4 ADI的LTC6102使用一個MOSFET。
 
LM13700這樣的OTA可以用作高階傳感器嗎?嗯…就把這個問題留給讀者諸君思考吧。
 
本文轉(zhuǎn)載自EDN電子技術(shù)設(shè)計(jì)。
 
 
 
 
 
 
 
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