作為《電子技術設計(EDN)》美國版「設計實例」欄位的編輯,我會面對很多設計投稿,有好的,也有不太好的。最近因種種原因捨棄掉的一篇文章講到的高側電流感測電路,實現起來就有諸多問題,這也讓我想到在電壓軌上實現電流檢測的不同方法。

絕大多數直流電流檢測電路的核心設計思路,是從供電線路中的電阻下手(儘管磁場感應是個好選擇,尤其是在電流較高的情況下)。人們只需簡單地測量電阻兩端的電壓降,並根據需要調節阻值來讀取電流(E=I×R,如果不包含這個,有人會抱怨)。如果檢測電阻在接地支路上,那麼方案就是個簡單的運算放大電路。一切都以地為參考,只需特別注意接地佈局中的小電壓降就行了。

20180222TA01P1 圖1 最明顯的高階電流檢測方案,使用差分放大器。

但通常首選方法是將檢測電阻置於電源線中。為什麼?因為接地可能不可行(例如,透過底盤接地汽車電子產品),或者你可能不希望設備接地與供電接地不同(這可能導致接地環路和其他問題)。那麼,該怎麼做?

最顯而易見的方法是在檢測電阻兩端跨接一個差分或儀表放大器(inamp),但實際上這算不上好方法。為了準確檢測電流,通常需要極高的共模抑制(CMR),既昂貴又容易漂移。

為什麼這麼說呢?來看一個設計示例:0~10A、12V標稱值、5mΩ的感測電阻。

這種方案甚至都不需考慮使用分立電阻,除非它們是精密匹配網路的一部分(因此,當然也就不是真正分立的)。對於1V的電源電壓偏移和80dB的差分放大器共模仰制比(CMRR),這意味著約0.01%的電阻匹配,你會看到相當於20mA的電流漂移(1V變化、80dB的CMRR導致輸入0.1mV偏移,再除以5mΩ檢測電阻的5mV/A標定)。

對於0~12V電源,在電壓範圍內乘以12:電壓範圍內240mA的偏移電流。請注意,真正的三運算放大儀表放大器對電阻匹配的靈敏度比單運算放大差分放大器低。但是,通常有更好的方法。

前文提到的「設計實例」使用了帶有分立電阻的單運算放大差分放大器。實際上,一個電阻可以用一個電位器進行調整,我最初認為它用於CMRR,結果卻是增益調整!如果電源電壓穩定,從某種意義上說,這種方法可行——但這絕不是一個好主意。

第二種高階檢測方法需要一點橫向思維。我改變思想,用V+而不是地作參考軌。這在概念上就像是負電壓源的低端檢測,如果能擺平它,這就是個很好的方案。

20180222TA01P2 圖2 以V+為參考,對輸出做進一步處理(例如,比較器)。R4可選,用於保護。

第三種方法目前在IC方案中很常見,它用電晶體和運算放大器一起為電流測量提供地參考。當我想到倒置運算放大器時,並不知道這個設計,這可能是件好事,因為節省了一個電晶體。

意法半導體(STMicroelectronics)、Maxim和亞德諾(ADI)都提供此類元件,但你自己也很容易實現這樣的電路。

20180222TA01P3 圖3 ST的TSC103在回路中使用了一個BJT。

20180222TA01P4 圖4 ADI的LTC6102使用一個MOSFET。

LM13700這樣的OTA可以用作高階感測器嗎?嗯…就把這個問題留給讀者諸君思考吧。

(參考原文: Sensing current on the high side,by Michael Dunn)