检测高端电流

shuszhao

本文用一个具体的例子比较在电压轨上完成电流检测的几种不同方法。第一种方法是使用带分立电阻器的单运放差分放大器；第二种方法是用V+而不是地作为参考轨；第三种方法在IC解决方案中很常见，在这种方案中，晶体管和运算放大器一起工作，以接地参考电流测量。
作为EDN“设计实例”栏目的编辑，我会面对很多设计投稿，有好的，也有不太好的。最近因种种原因弃掉的一篇文章讲到的高端电流检测电路，实现起来就有诸多问题。这让我想到了在电压轨上实现电流检测的不同方法。
绝大多数直流电流检测电路的核心设计思路，是从供电线路中的电阻下手（尽管磁场感应是个好选择，尤其是在电流较高的情况下）。人们只需简单地测量电阻两端的电压降，并根据需要调节阻值来读取电流（E = I×R，如果不包含这个，有人会抱怨）。如果检测电阻在接地支路上，那么方案就是个简单的运放电路。一切都以地为参考，只需特别注意接地布局中的小电压降就行了。
但通常首选方法是将检测电阻置于电源线中。为什么？因为接地可能不可行（例如，通过底盘接地汽车电子产品），或者你可能不希望设备接地与供电接地不同（这可能导致接地环路和其它问题）。那么，该怎么做？
最显而易见的方法是在检测电阻两端跨接一个差分或仪表放大器（inamp），但实际上这算不上好方法。为了准确检测电流，通常需要极高的CMR（共模抑制），既昂贵又容易漂移。
为什么这么说呢？我们来看一个设计示例：0-10A、12V标称值、5mΩ的感测电阻。

                               
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图1：最明显的高端电流检测方案使用差分放大器。

这种方案甚至都不需考虑使用分立电阻，除非它们是精密匹配网络的一部分（因此，当然也就不是真正分立的）。对于1V的电源电压偏移和80dB的差分放大器CMRR（这意味着约0.01％的电阻匹配），你会看到相当于20mA的电流漂移（1V变化、80dB的CMRR导致输入0.1mV偏移，再除以5mΩ检测电阻的5mV/A标定）。
对于0-12V电源，在电压范围内乘以12：电压范围内240mA的偏移电流。
注意，真正的三运放仪表放大器对电阻匹配的灵敏度比单运放差分放大器低。但是，通常有更好的方法。
上文提到的“设计实例”使用了带有分立电阻的单运放差分放大器。实际上，一个电阻器可以用一个电位器进行调整，我最初认为它用于CMRR，结果却是增益调整！如果电源电压稳定，从某种意义上说，这种方法可行——但这绝不是一个好主意。
第二种高端检测方法需要一点横向思维。我改变思想，用V+而不是地作参考轨。这在概念上就像是负电压源的低端检测，如果你能摆平它，这就是个很好的方案。

                               
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图2：以V+为参考，对输出做进一步处理（例如，比较器）。R4可选，用于保护。

第三种方法现在在IC方案中很常见，它用晶体管和运算放大器一起为电流测量提供地参考。当我想到倒置运放时，并不知道这个设计，这可能是件好事，因为节省了一只晶体管。

                               
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图3：ST的TSC103在回路中使用了一个BJT。

                               
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图4：Linear的LTC6102使用一个MOSFET。

意法半导体（ST）、美信（Maxim）和凌力尔特（Linear）都提供此类器件，但你自己也很容易实现这样的电路。

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yaoguang

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