电流检测放大器的发展满足多种应用需求
摘要： 本文详细探讨了在电流检测中的放大器应用需求，并结合应用进行了探讨。
关键词： 放大器；电流检测；LTC6102
随着过去传统的“开环”系统被智能和高效率“闭环”设计所取代，准确的电流检测在多种应用中变得越来越重要。实施电流测量的应用实例包括电动机扭矩、螺线管受力、LED 密度、太阳能电池受光量以及电池电量。为了测量电流，直接将检测电阻与电流串联，用一个放大器隔离和放大这个电阻上的电压 (VSENSE)。专门为完成这一任务而优化的新型放大器正在从汽车到工业、从通信到计算的很多应用中得到广泛采用。
两种常见的电流测量方法是高压侧和低压侧检测。在这两种情况中，都是在电流通路中放置一个小的检测电阻，而电阻上的电压可以用一个基于放大器的电路测量。在低压侧检测中，检测电阻放置在负载和地之间；而在高压侧检测中，检测电阻放置在正电源和负载之间。这两种方法都有基本的系统权衡问题以及不同的电路要求。
低压侧电流检测的主要优点是放大器电源电压可以相当低，输入共模电压范围可以非常小。但是有几点限制大大抵消了这些优点。首先，低压侧电流检测要求，不存在可能使电流在检测电阻周围被分流或可能从邻近电路引入电流的接地通路。如果机架构成了系统地，那么也许插入这样的检测电阻是不实际的。而且，既然地线不是理想导体，那么系统中不同位置的地电压可能不同，因此必须使用差分放大器才能实现准确测量。也许低压侧检测的最大问题是检测电阻在真实系统地和负载端的“地”点之间引入了一个偏移电压。这可能在系统中引起共模误差，并给连接至其它要求同样地电平的系统带来问题。既然测量分辨率与 VSENSE 的值成正比提高，设计师就必须在“地噪声”和提高分辨率之间进行权衡。中等大小的 100mV 满标度 VSENSE 转换成 100mV 注入地噪声。通过在电源和负载之间放置电流检测电阻可以避免地电平变化问题。这种方法称为高压侧电流检测。尽管它避免了上面列举的在接地通路放置检测电阻的问题，但是高压侧电流检测存在其它难题。像低压侧电流检测一样，高压侧电流检测电路用检测电阻产生差分电压，该电压可以直接测量。不过，现在电阻上存在一个非零共模电压。这种配置带来的技术挑战是，必须从电源共模电压中分辨出小的差分检测电压。
就低压系统而言，用仪表放大器或其它轨至轨差分放大器监视高压侧检测电阻也许足够了。然后，放大器输出必须转换到地，这么做不会增加很大的误差。当电源电压非常高时，也许要求电路将 VSENSE 向下转换到放大器输入共模电压范围内或将放大器向上浮动到电源电压。除了增加电路板面积和成本，这些方法还假定共模电压将保持在一个窄小的规定范围内。就大多数电流检测应用而言，预期大的共模电压浮动是非常有用的。例如，如果电流检测电路在电源电压下降时可以工作，那么它就可以指明电源处或负载处是否存在问题。过大的电流表示限流或负载故障，电流不足表明电源故障。另一方面，电流检测电路可能遇到超过电源电压的共模电压。很多电流型设备 (例如电动机和螺线管) 本质上都是电感性的，通过这种设备的电流快速变化会引起电感性反激，导致检测电阻上出现大的电压摆幅。这些例子可以准确说明放大器在什么时候最有用。
图 1 基本的高压侧电流检测放大器
简单的解决方案
为了解决电流检测难题设计出了高压侧电流检测放大器，这些特殊的放大器用来从高的共模电压中抽取电流流经小的检测电阻时产生的小差分电压，然后检测电压被放大并转换成以地为基准的信号。图 1 说明了高压侧电流检测放大器的基本拓扑。在这个电路中，放大器给 RIN 加上一个等于 VSENSE 的电压。然后，让通过 RIN的电流流过 ROUT，提供一个以地为基准的输出电压。就这种基本功能而言，很明显，高压侧电流检测放大器应该有高输入阻抗、高增益和良好的增益准确度、以及宽共模电压范围和良好的共模抑制。
关注电阻
理想情况下，电流和电压检测电路不应该影响与其连接的负载。这意味着电压检测电路应该有接近无限大的输入阻抗，这可确保不可能从负载分走很大的电流。相反，电流检测电路应该有接近零的输入阻抗，这可确保负载电压不会极大降低。高压侧电流检测电路 (放大器 + 电阻) 须符合这两个要求。用来检测 RSENSE 上电压的放大器必须有高输入阻抗。用来检测负载电流的电阻必须非常小。
为了充分理解这一点，我们来考虑一下使用大检测电阻的情况。随着串联电阻的增大，负载获得的电压会降低。外加的串联电阻是能量浪费的根源，大的检测电阻可能导致过大的热量消耗，从长期来看还可能出现可靠性问题。
有理由使用大的检测电阻吗？主要优点是提高总的输出电压 (1)。在放大器有固定增益或有限的增益可配置性时，这可能很有用。
(1)
检测电阻的大小是有限制的。放大器的输入范围和最大期望电流值将决定最大可用检测电阻(2)。
R SENSE_MAX=(V SENSE_MAX / I SENSE_MAX) ( 2)
例如，如果通过检测电阻的最大期望电流值是 50mA (I SENSE_MAX)，高压侧电流检测放大器可以接受高达 250mV (V SENSE_MAX ) 的输入，那么最大检测电阻就是 5W (RSENSE_MAX)。
理想情况下，设计师不应该被迫增加检测电阻来补偿放大器。只要放大器能以足够大的增益和增益准确度工作，设计师就应该去关注可接受的最小检测电阻。这可以通过电流检测放大器的输入失调电压和必须分辨的最小电流来计算：
R SENSE_MIN = (V OFFSET / I RES) (3)
例如，如果要求 1mA ( I RES) 的分辨率，而高压侧电流检测放大器的失调电压为 1mV (V OFFSET )，那么最小检测电阻就是 1Ω (R SENSE_MIN )。等式(3)突出显示了一个关键问题：最小检测电阻与高压侧电流检测放大器的失调有直接关系。
图 2 凌力尔特公司的 LTC6102 简单直接地实现高压侧电流检测。
用 RSENSE和两个增益电阻配置该器件。通过选择 RIN和ROUT，
设计师可以定制功耗、响应时间和输入/输出阻抗特性
进一步了解现代电流检测放大器
新型高压侧电流检测放大器充分考虑了精确的高压侧电流检测问题，性能比前几代有极大改进。例如，凌力尔特公司的 LTC6102 是一种采用零漂移技术的新型高压侧电流检测放大器。这个放大器的输入失调电压仅为 10mV，最大偏压漂移为 50nV/℃。与前几代电流检测放大器相比，LTC6102 可以使用小得多的检测电阻。如果系统可以容许大的 VSENSE，那么 LTC6102 可以接受高达 2V 的检测电压。低失调加上这一最大检测电压实现了超过 106dB 的动态范围，允许 LTC6102 从安培级电流中分辨出微安级电流。既然可以用外部电阻选择任何增益值，那么检测非常小的电流是可能的。通过使用精确的电阻，增益准确度可以高于 99%。
LTC6102的其它重要电流检测性能并未因此而受到损害。高阻抗输入将输入偏置电流限制为不到300pA。LTC6102能以高达105V的输入共模电压工作。130dB的共模抑制在100V的整个输入共模电压范围内引入不到32mV的偏移误差。就故障保护而言LTC6102有1ms的响应时间，如果负载或电源意外变化，该器件就可以迅速启动电源停机。
不同的放大器满足不同的应用需求
LTC6102 的基本电路拓扑可以修改，以满足多种不同的应用需求。在 H 桥电动机应用中，准确测量电流并识别各种潜在故障情况的最有效方法常常是在高压侧测量每个半桥的电流。LTC6103 含有两个高精确度、高压电流检测放大器，可用来准确测量两个半桥。
在由电池供电的系统中，人们感兴趣的电流本质上也许是双向的，因为要对电池充电和放电。在这种情况下，可以使用 LTC6104 等双向高压侧电流检测放大器。LTC6104 架构的有趣之处是它允许充电和放电电阻有不同的值 (或者可以用同一个电阻监视充电和放电)。既然充电和放电电流幅度可以相差很大，那么这就允许设计师优化测量电路的准确度。
在有些应用中，希望在包括地在内的非常宽的共模范围内测量电流。这允许准确测量电流，甚至在高压侧电压由于电路故障而出问题时也一样。LT6105 等放大器可以满足这些需求。
有些测量必须在严酷的环境中进行。LT6107 能够在温度高达 150℃时进行准确测量。
结论
高压侧电流检测放大器用于监视和控制电流具有很多固有的好处。越来越先进的电池管理和电动机控制技术只是其中的几个例子，这些先进的技术正在为具有较高共模电压、较高准确度和精度的电流检测放大器创造极大的需求。
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