电流感测应用电路设计集锦 —电路图天天读（194）

　　实际的电容元件存在着分布参数，其中对电容本身特性影响最大的是寄生电感，这些寄生电感与电容本身构成谐振回路，使电容在使用时有了一定的局限性，因此，能够测量出电容本身寄生电感的大小，可以在使用时更合理的选择电容元件。由于制造的工艺导致本身存在寄生电感和寄生电阻， 其等效电路模型如图1 所示。

　　图1 实际电容等效电路模型

　　其中C 为实际电容本身的标称电容， L 是其寄生电感， Rp是其并联等效电阻， Rs 是其串联等效电阻。寄生电阻会对经过电容的信号造成衰减， 但不会影响电容本身的频率特性。寄生电感会与电容构成串联谐振回路， 会使实际的电容在某个频率上发生谐振， 这种现象称为电容的自谐振 。

　　扫频发生器

　　AD9854(＄24.8040) 内置4~ 12 倍频的时钟倍频器， 因此可以外加1 个较低频率的时钟，通过倍频器倍频至300 MHz， 这样可以极大的降低高速片外时钟对系统造成的电磁兼容性问题。AD9854 内部有1个频率控制字寄存器，通过写该寄存器的值便可以改变输出信号的频率， 非常适合数字控制。同时由于时钟采用的时晶体振荡器，因此输出频率的稳定度和分辨率都非常高， 一般为10- 6数量级。

　　图4 AD9854 信号发生电路

　　谐振点检测电路

　　谐振点检测电路主要由检波器和AD 转换器组成， 其中常用的检波器有峰值检波器、有效值检波器和对数检波器。由于这里的检波只是为了检测出谐振点， 因此对检波器的种类没有特殊要求， 这里采用AD8307(＄7.5120) 这款宽带对数检波器。A D8307 可以实现DC 500 MH z 频率范围内的对数检波器， 其输出为直流电压， 输出与输入功率（ 以dBm为单位） 呈线性关系。由于该检测电路只是检测出谐振点，即图2 中的最低点， 只是一个比较关系， 并未对检测到的最低点的电平精度有很高要求， 因此对采样电路的精度要求不高，又因为对数检波器的输出是直流信号， 所以常见的大多数低速AD 转换器都可以满足要求。这里采用串行8 位的AD 转换器TLC549(＄1.1250)。TL549 采用三线制串行控制方法， 很方便与单片机控制器接口。该检测电路的原理图如图5 所示。

　　图5 谐振点检测电路

　　高侧电流感测参考设计电路图

　　此 TI 高精度验证设计通过一种双电源、高侧、四十年历史的电流感测解决方案提供原理、组件选择、仿真、完整 PCB 原理图和布局、物料清单以及均衡性能，可以精确检测 10uA-100mA 范围内的负载电流。相应的线性输出为 10mV 至 4.9V，允许常见 5V ADC 的测量。虽然可以对此类应用使用传统运算放大器，但与传统运算放大器相比，PGA281(＄2.8687) 可具有更多优势，可提供更准确、用途更广泛的解决方案，例如：差动测量可最大程度降低 PCB 寄生效应带来的误差，宽达 ±12.5 V 的共模电压输入范围， PGA281 可进行引脚编程的增益允许轻松切换增益设置，实现宽负载电流范围内的测量‘

　　高侧、四十年、双向、经验证的电流感应解决方案，感测10uA-100mA 范围的电流，误差小于或等于0.05%，支持宽达±12.5 V 的共模输入范围，拥有10mV 至 4.9V 输出，允许常见 5V ADC 的测量，利用 PGA281 可进行引脚编程的增益仪表放大器来实现四十年电流测。
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　　测量电流的两种“损耗”电流感测

　　只使用一个电阻器便可测量电流。每个人都知道欧姆定律：V=IR。通过测量已知电阻器上的电压就可以确定电流。图 1 是如何测量电源输出端电流的简易图。

　　图 1：使用一个电阻器测量电源输出电流

　　用这种方法测量电流可能对于限制或调节 DC 层面上的输出电流非常有用。出于控制目的，通常需要非常快速地测量 AC 电流。图 2 是测量同步降压转换器的 FET 电流的方法。

　　图 2：使用一个电阻器测量 FET 电流

　　这种电流测量方法对于电流模式控制非常必要。在低侧 FET 的源极中使用一个电阻器会让测量工作非常简单，因为它以 GND 为参考。尽管使用一个电阻器非常简单，但也有一个致命的弱点 — 电阻器会消耗电源！虽然非常简单，而且可能很精确（电阻器支持 0.1% 的容差），但电阻器确实会在系统中造成损耗。对于极大电流而言，这通常无法接受。这会在系统中快速形成很大的损耗。此外，电阻器还会对压降产生稳压及电压容差问题。必须有一种更好的方法！替代方案是使用电流传感变压器，其不仅可实现极低损耗，而且还可对 AC 电流进行测量。在电阻器不适用的情况下，电流传感变压器可用来替代传感电阻器，能够提高效率。图 3 是如何使用电流传感变压器测量隔离式转换器中的初级电流。

　　图 3：使用电流传感变压器测量初级电流

　　此外，电流传感变压器也有助于电路设计人员通过使用匝数升压比获得增益因数。要使用电流传感变压器，还需要增加一些电路并进行额外的考虑。变压器只能测量 AC 电流，因此需要在有限的时间内关断初级开关。在此期间，变压器可复位，整个绕组的电压可能会变负。因此，您需要使用一个与绕组串联的二极管。事实上，变压器需要复位，才能防止电流传感变压器用于测量 DC。如果没有关断时间供变压器复位，它就会饱和，该信息就会没用。变压器在电路中及 PCB 上的布置也非常重要。必须注意确保让循环电流环路最小化。

　　编辑点评：感测技术主要包括视觉感测、听觉感测与触觉、力觉感测、嗅觉、味觉感测等等，本文介绍的是基于电流感测的电路设计运用，可以很快测试电流与电路损耗，有助于电路设计人员通过使用匝数升压比获得增益因数等优势。