電流感測常識

作者: Gustavo Castro,ADI線性和精密技術部門應用工程師

我需要測量電流,但不知道應使用哪一款放大器。應該從何處著手?

很多應用中,電流測量在都是必要的,包括致動器控制、測試與測量、感測器訊號處理,以及電能計量(僅舉數例)。根據不同的應用,設計工程師必須辨別感測和處理電流的最佳方法(備註1)。但當有多種選擇的時候,問題就來了。例如,在精密電流測量中,可以使用離散式運算放大器來建構跨導放大器,或者從眾多的整合式放大器中選擇一款來使用;那麼,對於特定應用而言,哪種放大器最適合進行電流量測?

顯然,量測電流時,電流應當與電路串聯,並且不應成為電路的負擔。小型分流元件(例如電阻)通常會產生小電壓,需對其進行放大和/或電平轉換。分流電阻相對較低,以便將其負擔降至最低,並且在某些情況下使功耗最小化。無論何種情況,都面臨著處理小電壓的挑戰。此外,分流器可能不會接地,這就意味著必須以差分方式測量電壓,並將該電壓進行電平轉換。根據應用,電流的變化可能達到很多數量級,從阿安培(attoamps)到數安培(或更高)都有可能。為了簡化選型的過程,就讓我們來一起來回顧幾種選擇及其使用場景吧。

在電流路徑上插入一個分流器(如圖1(a)所示),並使用運算放大器緩衝或放大可能是最直接的方法,但這種方法不提供任何電平轉換。低端電流感測可以採用這種方法。只需降低分流值同時提高放大器增益(如圖1(b)所示),即可最小化負擔電壓;但通常會犧牲雜訊和精準度性能。將負擔電壓降為最低的一種更好方法——尤其是存在低電流時——是採用跨導放大器電路(TIA),亦稱為電流-電壓轉換器(或者IV轉換器)。圖1(c)顯示了使用TIA如何等效於在運算放大器周圍擺放分流器,其目的在於將負擔電壓降低至接近於零(備註2)。只要電流低於運算放大器的輸出限流(通常是mA等級),它就能發揮作用。由於負擔電壓較低且不變,因此通常採用TIA來確保感測器(比如光電二極體)的電流輸出具有極其精確的結果。

TIA有時候可能無法實現,例如我們希望測量的電流不在負載的接地側。高階電流感測或測量遠端迴路中的電流時便是這種情況。此時可使用儀表放大器,該元件便於使用且具備高精準度(如圖1(d)所示)。這些元件已成功用於很多高精度電流測量中,包括4mA~20mA環路接收器、電能計量和感測器接口(僅舉數例)。

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圖1 電流感測拓撲。

在一些實例中,分流器疊加到共模電壓擺幅上,導致超出傳統放大器的電源範圍,使系統過於昂貴(比如,需要進行隔離)。與儀表放大器不同,差動放大器和電流感測放大器IC可在較大的換向共模電壓存在的情況下測量電流。它們是高性價比且強固的選擇,非常適合馬達和致動器控制應用。

開始著手新的電流感測設計前,考慮上述選項,並儘可能了解一些線上設計工具,比如光電二極體嚮導和針對儀表放大器的鑽石圖工具。如果感測器或線纜電容已知,則光電二極體嚮導還能用來設計正確補償型TIA,哪怕光電二極體並不會真正需要用到。鑽石圖工具可以根據分流器工作範圍而立即圖形化顯示儀表放大器的工作區域。或者,請瀏覽EngineerZone中文技術論壇,了解其他人如何進行,希望這些建議能幫助你找出電流感測應用最佳的選擇。

備註:

1.關於首圖漫畫:在班傑明.富蘭克林(Benjamin Franklin)的時代,人們尚未認識到著名的風箏實驗是多麼的危險。聖彼得堡的一名教授在重複這個實驗的時候,一個閃電球通過連桿擊中了他的前額,使其當場死亡。(資料來源: Camenzind, Hans. Much Ado About Almost Nothing: Man's Encounter with the Electron. Booklocker.com, 2007年.)

2.或者幾乎為零,因為放大器失調和折合到輸入的誤差無法消除。

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