使用集成雙向電流檢測放大器實現(xiàn)有效的電流監(jiān)控-設計應用

精品文檔-下載后可編輯使用集成雙向電流檢測放大器實現(xiàn)有效的電流監(jiān)控-設計應用越來越多的應用需要快速準確地進行電流監(jiān)控，包括自動駕駛汽車、工廠自動化和機器人技術、通信、服務器電源管理、D類音頻放大器和醫(yī)療系統(tǒng)。在許多這樣的應用中，都要求進行雙向電流檢測，而且需要以很小的成本有效地實現(xiàn)這一a目的。

雖然可以使用一對單向電流檢測放大器(CSA)構建一個雙向電流檢測放大器(CSA)，但構建過程可能復雜、耗時。該過程會涉及到將兩個輸出合并成一個單端輸出的獨立軌至軌運算放大器，或者在微控制器上使用兩個模數(shù)轉換器(ADC)輸入，后者需要額外的微控制器編碼和機器周期。很后，使用兩個單向CSA構建雙向CSA——再加上將其整合為雙向解決方案所需的額外部件，這將消耗更多的電路板空間，而更多的器件會降低可靠性，增大庫存需求。很終可能導致成本和設計進度雙雙超出預期。

為避免上述情況發(fā)生，設計人員可以采用集成、高速、jing確的雙向CSA。設計人員可以選擇帶有內部低電感分流電阻的集成雙向CSA構成很緊湊的解決方案，或者選擇使用外部分流器的CSA實現(xiàn)更靈活的設計和布局。

本文將回顧雙向CSA的實施要求和更高集成度方法的優(yōu)勢。然后以來自STMicroelectronics、TexasInstruments,和AnalogDevices的器件為例進行詳細介紹，其中包括各器件的關鍵參數(shù)和各自的不同特征。很后，本文將展示如何使用這些器件開始設計，包括相關的參考設計/評估套件/開發(fā)套件，以及設計和實施技巧。

如何使用兩個單向CSA

雙向CSA電路可以用兩個單向CSA以多種方式構建（圖1）。左側示例中使用的AnalogDevicesMAX4172ESAT不含內部負載電阻，因此使用分立器件Ra和Rb。在右側示例中，MAX4173TEUTT內含一個12kΩ負載電阻，可將其電流輸出轉換成電壓。

外部負載電阻圖（左），或具有內部負載電阻的圖（右）（點擊放大）。

圖1：可通過使用外部負載電阻或內部負載電阻（右）的方式實現(xiàn)由兩個單向電流檢測放大器構成的雙向電流檢測應用。（圖片：AnalogDevices）

雖然不需要兩個負載電阻，但MAX4173TEUTT電路的反饋中增加了一個1nF電容，以穩(wěn)定B部分的控制回路。在這兩種情況下，使用MAX4230AXKT通用運算放大器將來自兩個CSA的輸出電流合并。

這兩種方法的零件數(shù)都高于使用單一雙向CSA時的零件數(shù)量。除了零件數(shù)量較多外，由于兩個單向CSA需要放置在靠近VSENSE電阻的地方，會導致PC板布局更加復雜。

使用雙向CSA的應用實例

雙向CSA是多功能器件，應用廣泛。例如，在三相伺服電機系統(tǒng)中，可使用兩個CSA來確定所有三相的瞬時繞組電流，而不需要進行任何進一步計算，也不需要任何有關脈寬調制(PWM)脈沖相位或占空比的信息（圖2）。

兩個雙向CSA可連接相位1(RSENSEΦ1)和相位2（RSENSEΦ2）的檢測電阻的圖（點擊放大）。

圖2：在三相伺服電機應用中，兩個雙向CSA可以連接相位1(RSENSEΦ1)和相位2（RSENSEΦ2）的檢測電阻，以產生可以代表第三相繞組中的電流的電壓。（圖片：AnalogDevices）

根據基爾霍夫定律，前兩個繞組的電流之和等于第三個繞組的電流。該電路使用兩個MAX40056TAUA雙向CSA來測量兩相電流，并由MAX44290ANTT通用運算放大器進行電流求和。由于所有三個放大器都有相同的參考電壓，因此產生了比率測量法。

在另一個示例中，一個D類音頻放大器，一個雙向CSA，如TexasInstruments的INA253A1IPW可以用來準確測量揚聲器的負載電流（圖3）。

TexasInstruments的雙向CSA(INA253)的圖（點擊放大）

圖3：在D類音頻設計中，可使用雙向CSA(INA253)對揚聲器進行增強和診斷。（圖片：TexasInstruments）

揚聲器負載電流的實時測量值可用于診斷，并通過量化關鍵的揚聲器參數(shù)和這些參數(shù)的變化對放大器進行性能優(yōu)化，具體包括：

線圈電阻

揚聲器阻抗

共振頻率和共振頻率下的峰值阻抗

揚聲器的實時環(huán)境溫度

電路板布局技巧和分流器注意事項

在實施電流檢測電路時，寄生電阻和電感是值得關注的問題。此外，過度焊接和寄生電阻也會導致檢測錯誤。通常使用四端子電流檢測電阻。如果不選擇四端子電阻，則應使用開爾文pc板布局技術（圖4）。

開爾文檢測跡線應靠近焊接接觸焊盤

圖4：開爾文檢測跡線應盡可能靠近電流檢測電阻上的焊接接觸焊盤。（圖片：AnalogDevices）

將開爾文檢測跡線置于盡可能靠近電流檢測電阻的焊接接觸點的位置會很大限度地減少寄生電阻。開爾文檢測跡線的間距越大，就越會出現(xiàn)由于額外跡線電阻造成的測量誤差。

正確選擇檢測電阻是將寄生電感降至很小的一個重要方面。由于電壓誤差與負載電流成正比，因此應盡量減少封裝電感。一般來說，繞線電阻的電感值很大，標準金屬膜器件的電感值處于中等水平。對于電流檢測應用，一般推薦使用低電感金屬膜電阻。

分流電阻的值是在動態(tài)范圍和功率耗散之間進行權衡的結果。對于大電流檢測，建議使用低值分流器，以盡量減少熱耗散(I?R)。在低電流檢測中，使用較大的電阻值能夠將失調電壓對檢測電路的影響降至很低。

大多數(shù)CSA依靠外部分流器測量電流，但也有一些CSA使用內部分流器。雖然使用內部分流器的設計外形更緊湊，器件更少，但需要進行一些權衡，具體包括：由于分流器值預先確定，所以靈活性較差；相比外部分流器，需要更大的靜態(tài)電流；可測量的電流大小會受到內部分流器容量的限制。

高電壓精密雙向CSA

使用STMicroelectronics的TSC2022IST，設計人員可以充分發(fā)揮其精密特性，使用低電阻外部分流器，從而很大限度地減少功率耗散（圖5）。這款雙向CSA旨在為數(shù)據采集、電機控制、螺線管控制、儀表、測試和測量以及過程控制等應用提供jing確的電流測量。

STMicroelectronics的TSC2022IST包括一個關斷引腳(SHDN)的圖

TSC2022IST包括一個關斷引腳(SHDN)，可以很大限度地節(jié)能，其工作溫度為-40至125℃。（圖片：STMicroelectronics）

TSC2022IST的放大器增益為60V/V，集成了電磁干擾(EMI)濾波器，具有2(kV)人體模型(HBM)靜電放電(ESD)容限（根據JEDECJESD22-A114F標準的規(guī)定）。TSC2022可以檢測到低至10mV的滿量程電壓降，以實現(xiàn)穩(wěn)定測量。憑借750kHz增益帶寬積和7.0V/?s壓擺率，該器件確保了高jing確度和快速響應。

設計人員可以借助STEVAL-AETKT1V2評估板快速上手TSC2022IST（圖6）。該器件可以在-20V到70V的寬共模電壓范圍內檢測電流。TSC2022IST的特點：

增益誤差：很大0.3%

失調漂移：很大5?V/?C

增益漂移：很大10ppm/?C

靜態(tài)電流：關斷模式下20?A

STMicroelectronics的STEVAL-AETKT1V2評估板的圖片

STEVAL-AETKT1V2評估板包括主板和一個包含TSC2022IST的子卡。（圖片：STMicroelectronics）

內部雙向分流CSA

TexasInstruments的INA253A1IPW集成了一個2mΩ、0.1%低電感分流器，支持高達80V的共模電壓（圖7）。INA253A1IPW為設計人員提供了可抑制大dv/dt信號的增強型PWM抑制電路，從而實現(xiàn)了針對如電機驅動、螺線管控制等應用的連續(xù)、實時的電流測量。內部放大器具有精密的零漂移拓撲結構，且共模抑制率(CMRR)大于120dBDCCMRR和90dBACCMRR（50kHz時）。

TexasInstruments的INA253A1IPW雙向CSA的圖片

典型應用中的INA253A1IPW雙向CSA。該器件具有內部分流器，可在-40至85?C的溫度范圍內測量?15A連續(xù)電流。（圖片：TexasInstruments）

通過使用相關的INA253EVM評估板上的測試點訪問INA253A1IPW的功能引腳，設計人員就可以加快基于該CSA的系統(tǒng)設計開發(fā)（圖8）。這種雙層板的尺寸為2.4?4.2英寸，用1oz的銅制作而成。

該雙層INA253EVM器件的尺寸為2.4?4.2英寸，用1oz的銅制作而成。該器件的底層沒有任何元件，只是一個堅實的銅制地平面，用來為返回電流提供低阻抗路徑。（圖片：TexasInstruments）

該pc板上包括了很小的支持電路，并且可以根據需要重新配置、移除或旁路掉各種功能。INA253EVM具有以下功能：

三個INA253A1IPW器件

所有針腳都易于接觸

在整個-40至85?C的溫度范圍內，支持?15A的電流通過INA253CSA的電路板布局和結構

將支座放在pc板上，可用于除默認配置外的其他配置

該器件的底層沒有任何元件，只是一個堅實的銅制地平面，用來為返回電流提供低阻抗路徑。

獲得AEC-Q100認可的雙向CSA

為了監(jiān)測全橋電機控制、開關電源、螺線管和電池組以及汽車應用中的電流，設計人員可使用AnalogDevices的LT1999IMS8-20#TRPBF

LT1999IMS8-20#TRPBF是全橋電樞電流監(jiān)測應用中的雙向CSA。（圖片：AnalogDevices）

LT1999IMS8-20#TRPBF符合汽車應用的AEC-Q100標準，包括了一個關斷模式，可很大限度地降低功耗。該器件使用外部分流器來測量電流的方向和大小。該器件可按比例產生一個輸出電壓，該值是位于電壓和地之間的參考中間值。設計人員可以選擇使用外部電壓來設置參考電平。

當VSHDN（引腳8）被驅動至0.5V地電壓時，LT1999IMS8-20#TRPBF進入電流消耗約3μA的低功耗關斷狀態(tài)。如果輸入引腳（IN和-IN）經過偏置后在0至80V之內（不施加差分電壓），其電流消耗約1nA。內部1階差分低通EMI抑制濾波器降低了EMI敏感性，有助于消除超出器件帶寬的高頻信號。

為了方便測試LT1999系列，AnalogDevices提供1698A演示板。該板放大了板載電流檢測電阻器上的電壓降，并產生一個與流經該電阻器的電流成比例的雙向輸出電壓。設計人員可選擇三種固定增益：10V/V(DC1698A-A)、20V/V(DC1698A-B)和50V/V(DC1698A-C)。

具有PWM抑制功能的雙向CSA

為了在控制諸如螺線管和電機等感性負載的設計中改善對共模輸入PWM邊沿的抑制，設計人員可以使用MAX40056TAUA（圖10）。如上文圖2中所述，MAX40056TAUA是雙向CSA，可以處理?500V/?s及以上的壓擺率。該器件的典型CMRR為60dB（50V，?500V/?s輸入）和140dBDC。其共模范圍從-0.1V到65V，并提供針對低至-5V電感回跳電壓的保護。

MaximMAX40056TAUA包括一個內部1.5V參考電壓的圖

圖10：MAX40056TAUA包括一個內部1.5V電壓基