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简化电流感应,如何使用电流检测放大器进行设计(一)

—— 目录,简介,第1章:电流检测概述,集成电阻器电流传感器如何简化PCB设计
作者:TI,Scott Hill, Dennis Hudgins, Arjun Prakash, Greg Hupp, Scott Vestal, Alex Smith, Leaphar Castro, Kevin Zhang, Maka Luo, Raphael Puzio, Kurt Eckles时间:2020-01-15来源:TI(德州仪器)收藏

目录

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202001/409291.htm

第1章:电流检测概述,集成电阻器电流传感器如何简化设计(√)

多通道电流监测的常见用途

使用数字电流传感器进行功耗和能耗监测

使用电流检测放大器的PLC系统中分立式数字输出的安全和保护

简化电池测试设备中的电压和电流测量

第 2 章:超出范围电流测量 测量电流以检测超出范围的情况

第 3 章:开关系统中的电流检测具有增强型PWM抑制功能的低漂移、精密直列式电机电流测量

第4章:集成电流检测信号链 集成电流检测信号路径

第5章:宽VIN 和隔离式电流测量 将差分输出(隔离式)放大器连接到单端输入ADC


简介

在解决与为成本优化型应用设计精确电流测量电路相关的难题时,设计人员面临着很多选择。方法非常广泛,从使用通用运算放大器或模数转换器 (ADC)(无论是独立工具还是嵌入到微控制器 (MCU) 中),到利用各种专门为电流检测而设计的定制组件,不仅 可以提供最大的灵活性,而且能够以特定方式 解决难题。 

另一个难题是如何快速有效地缩小选择范围,找到 与您的特定系统要求最为匹配的潜在器件。TI 应 用手册通过解决特定用例,重点介绍如何识别 电路/功能问题,以及简要介绍与该功能 相关的任何难题,从而让上述难题迎刃而解。此外,TI 应用手册还概述了能够支持该特定功能的 潜在器件的简短列表,以及可能有益于其他电路优 化的一些替代解决方案。

该电子书中所述的应用手册集没有详尽地列出所有 电流检测难题和 TI 应用手册,但它确实解决了当 今出现的许多更加常见且具有挑战性的功能电路。 如果您对此处涉及的主题有任何疑问或者有任何其 他电流检测疑问,请将其提交至 TI E2ETM 社区中的放大器论坛。

第 1 章:电流检测概述

集成电阻器电流传感器如何简化设计

测量电流的最常用方法是检测分流器或电流检测电阻器上的压降。为了实现高度精确的电流测量,您需要检查电阻器和电流检测放大器的 参数值。电流检测电阻器和电流检测放大器之间恰 当的布局对于避免精度下降而言非常重要。

图1显示了电流检测放大器的典型原理图,其中 以阴影部分显示了高侧电流检测和重要设计区域的连接。

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图1:以阴影部分显示错误源的高侧电流检测 使用电流检测放大器时,电流检测或分流电阻器的选择 是最重要的设计考量因素之一。

设计时,通常需要首先 选择电阻器值和功率。电阻器的电阻值通常根据最大预期电流时实现所 需最大差分电压来选择。还可以根据功率损耗预算来选 择电阻器值。

确定电流检测电阻器的电阻值和功率后,要考虑的第二 个参数就是电阻器容差,因为这将直接 影响检测的电压和电流测量的精度。不过,设计人员通常会忽略一个更细微的参数 - 电阻器温度系数。温度系数通常 以百万分率/摄氏度为单位,它很重要,因为电阻器的 温度会因电流经过组件时损耗的功率而升高。低成本电阻器的额定容差通常小于 1%,但在实际应用中,电阻 器的温漂会带来不利影响。

在您选择电阻器之后,您需要注意其印刷电路板 () 布局以获得准确的测量结果。为了准确测量电流,电流 检测电阻器必须有四个连接。两个布置电流检测电阻器时最常见的错误之一是将电流检测 放大器输入端连接到电流承载迹线,而不是直接连接到 电流检测电阻器,如图 2a 所示。图 2b、2c 和 2d 显 示了连接电流检测电阻器的其他有效方法。

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图2:电流检测电阻器布局技术

图 2d 中的布局展示了到电流检测电阻器的独立四线( 开尔文)连接。该技术最常用于分流电阻器的值低于 0.5mΩ 而且与电阻器连接串联的焊接电阻明显添加到总 体分流电阻的情况。由于电阻精度很大程度上取决于制 造电阻时所用的测量位置,因此很难知道 哪种布局技术会在最终的 PCB 设计上取得最好的结果。 如果电阻器值是在焊盘内部测量的,那么图 2c 中展示 的布局会提供最佳的测量结果。 如果电阻器值是在侧面 测量的,那么图 2b 中展示的布局会提供最高的精 度。。选择最佳布局的困难之处在于,许多电阻器产 品说明书并不针对获得最佳的电流检测精度提供布局建 议,也不提及制造过程中使用的测量点。 

将电流检测放大器与集成的电流检测电阻器搭配使用 可以简化有关电阻器选择和 PCB 布局的难题。TI 的INA250INA253INA260器件在电流检测放大器 的封装内集成了电流检测电阻器。 与电流检测电阻器 的连接已经过优化,可实现最佳测量精度和温度稳定 性。INA250 和 IAN253 是模拟输出电流检测放大器,而 INA260 是数字输出电 流传感器,可通过 I2C/系统管理总线 (SMBus) 接口报 告电流、功耗和总线电压。

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图3是包含电阻器连接的 INA250 的方框图。

在 -40°C 到 125°C 的温度范围内是 0.75%。对于没 有集成分流电阻器的器件,计算精度时必须考虑到器件 增益误差、增益误差漂移、电阻容差和电阻器漂移,才 能获得总体系统增益误差,因此可能很难挑选组件来满 足总体系统精度规格。INA253 是一款能够承受 80V 电 压的器件,它还在 -40°C 至 125°C 温度范围内具有 0.75% 的 温度范围.INA260 是一款数字电流输出器件,具有 0.15% 的最大总室温增益误差。该总增益误差已包括集 成电阻器的变化和电流检测 放大器的增益误差。到电流检测电阻器的连接位于封装 内部,并针对每个器件进行了校准,以消除电阻器连接 点导致的变化。 

在需要精确电流测量的设计中,集成的分流产品可提 供更高的精度,而且可以降低总体解决方案成本。要使 INA260 实现类似的精度,需要使用增益误差小于 0.1% 的电流检测放大器和初始容差小于 0.05% 的低漂移电阻器。 一般来说,精度小于 0.1% 的大功率电阻器成本高 昂,每 1,000 件可能需要数美元。

INA260 中的集成电阻器的另一个优势是电阻器值已经 过校准,是在内部设置的,因此返回的电流值可轻松转 换为安倍数。其他数字解决方案需要在内部或主机处理 器中对电流检测电阻器的值进行编程,以便返回的电流 读数可以相应地转换。

 INA250、INA253 和 INA260 中使用的 集成分流技术可精确测量电流,降低布局复杂性,更 好地了解总系统误差,并且成本比同等精度的其他解 决方案要低。在需要精密操作且需要支持高于 15A 的 电流的应用中,您可以使用在菊链配置中并联多个 IN A250 或 INA253器件(如其产品说明书中所示),或 者使用多个 INA260 器件(只要主机处理器可以 汇总报告的电流读数即可)。如果由于解决方案的大小 而导致并联多个器件来监测高于 15A 的电流是不可行 的,表 1 中列出了您可以用来监测较高电流的器件(使 用外部分流电阻器)。

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多通道电流监测的常见用途

随着对系统智能和功效的需求不断增长,对更佳的重要 系统电流监测的需求也变得越来越强烈。 在过去,配置为差分放大器的多个运算放大器或分布在 系统中的多个电流监测放大器可能会执行此类监测。但 随着电流监测通道数的增加,实现解决方案所需的外部 组件的数量也在增加。这些额外的组件增加了设计复杂 性和解决方案尺寸,并且可能降低整体电流监测精度。 例如,考虑一个需要测量两个电流的情况,如图1所示。 

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图 1:分立式与集成式电流检测解决方案

在这种情况下,基于运算放大器的解决方案需要使用八 个电阻器(用于设置增益)、两个旁路电容器和两个电 流检测电阻器。使用INA2180实现的相同电路仅需要 两个电流检测电阻器和单个旁路 能量谐振造成的。由于集成式增益设置电阻器匹配良 好,因此 INA2180 解决方案的精度远高于具有成本效益 的分立式实现。集成式增益设置电阻器 可实现精度更高的监测,或允许使用容差更宽的电流检 测电阻器,以实现低成本应用。INA2180 和INA2181系列也更灵活,因为它们可以监测电压高于电源电压的 电阻器上的压降。

除了简化设计流程和减少外部组件数量之外,在单个封装中使用多个电流监测器件可实现多种常见的应用解决 方案。 例如,考虑图 2 所示的应用,其中外部模数转换器 (ADC) 监测存储器和处理器消耗的总电流。

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图 2:监控两个电源轨中的总电流

一种方法是监测中央处理器 (CPU) 和存储器电流,将电 多路复用到 ADC,然后在微处理器中 将结果值加在一起。这种方法需要一些数学处理(以及 ADC),从而以足够快的速率连续对输出进行采样,以使 其有效。更好的方法是使用 INA2181 的 REF 引脚将存 储器消耗的电流与 CPU 消耗的电流相加。您可以通过将 通道 1(用于监测存储器电流)的输出连接到 REF2 来 实现这一点,如图 3 所示。

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图 3:使用 INA2181 对模拟电流进行求和

通道2的输出将是来自CPU和存储器的电流的放大总和。ADC 可以监测来自存储器的电流和总电流。但由于通道2的输出是模拟信号,因此具有适当设置参考值的 比较器可在发生过流情况时中断系统。为使该电路正常 工作,两个检测电阻器的值必须相同。

多通道电流监视器的另一个方便用途是检测意外的泄漏路径。这些泄漏路径可能是由意外的接地短路或其他一些不在电流测量路径中的电势导致的。检测漏电流路径的一种技术是监测进出电路的所有电流。只要不存在意外的泄漏路径,流进负载的电流就一定等于流出的电流。 如果进入电流相等,则不会检测到意外的电流泄漏 径。

使用双电流监视器提供了一种用于检测漏电流路径的简单技术,无需使用多个器件,也不必从外部添加或减去电流。图 4 中显示的电路使用 INA2181 来监测流进和 流出负载的电流。通过反转第二个放大器的电阻器连接 的极性并将第一个放大器的输出连接到第二放大器,可 以从流出负载的电流中减去流进的电流。

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图 4:使用 INA2181 进行电流消减以实现漏电流检测

如果 OUT2 处的电压等于施加的基准电压,则不存在泄 漏路径。如果VOUT2高于施加的基准电压,则有意外的 电流流出负载。类似地,如果 VOUT2低于 基准电压,则有意外的漏电流流进负载。像以前一样, 为了使该电路 正常运行,电流检测电阻器的值必须相等。 

TI 提供了多种多通道电流监测解决方案。为了监测四个通道,INA4180和 INA4181 器件提供了一个模拟电压输出。INA3221 能够精确测量最多三个独立通道的系统电 流和总线电压。通过I2C兼容接口报告电流和电压值。

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关键词: PCB PWN

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