電流感測應(yīng)用電路設(shè)計集錦 —電路圖天天讀（194）

　　實際的電容元件存在著分布參數(shù)，其中對電容本身特性影響最大的是寄生電感，這些寄生電感與電容本身構(gòu)成諧振回路，使電容在使用時有了一定的局限性，因此，能夠測量出電容本身寄生電感的大小，可以在使用時更合理的選擇電容元件。由于制造的工藝導(dǎo)致本身存在寄生電感和寄生電阻， 其等效電路模型如圖1 所示。

　　圖1 實際電容等效電路模型

　　其中C 為實際電容本身的標(biāo)稱電容， L 是其寄生電感， Rp是其并聯(lián)等效電阻， Rs 是其串聯(lián)等效電阻。寄生電阻會對經(jīng)過電容的信號造成衰減， 但不會影響電容本身的頻率特性。寄生電感會與電容構(gòu)成串聯(lián)諧振回路， 會使實際的電容在某個頻率上發(fā)生諧振， 這種現(xiàn)象稱為電容的自諧振 。

　　掃頻發(fā)生器

　　AD9854(＄24.8040) 內(nèi)置4~ 12 倍頻的時鐘倍頻器， 因此可以外加1 個較低頻率的時鐘，通過倍頻器倍頻至300 MHz， 這樣可以極大的降低高速片外時鐘對系統(tǒng)造成的電磁兼容性問題。AD9854 內(nèi)部有1個頻率控制字寄存器，通過寫該寄存器的值便可以改變輸出信號的頻率， 非常適合數(shù)字控制。同時由于時鐘采用的時晶體振蕩器，因此輸出頻率的穩(wěn)定度和分辨率都非常高， 一般為10- 6數(shù)量級。

　　圖4 AD9854 信號發(fā)生電路

　　諧振點(diǎn)檢測電路

　　諧振點(diǎn)檢測電路主要由檢波器和AD 轉(zhuǎn)換器組成， 其中常用的檢波器有峰值檢波器、有效值檢波器和對數(shù)檢波器。由于這里的檢波只是為了檢測出諧振點(diǎn)， 因此對檢波器的種類沒有特殊要求， 這里采用AD8307(＄7.5120) 這款寬帶對數(shù)檢波器。A D8307 可以實現(xiàn)DC 500 MH z 頻率范圍內(nèi)的對數(shù)檢波器， 其輸出為直流電壓， 輸出與輸入功率（ 以dBm為單位） 呈線性關(guān)系。由于該檢測電路只是檢測出諧振點(diǎn)，即圖2 中的最低點(diǎn)， 只是一個比較關(guān)系， 并未對檢測到的最低點(diǎn)的電平精度有很高要求， 因此對采樣電路的精度要求不高，又因為對數(shù)檢波器的輸出是直流信號， 所以常見的大多數(shù)低速AD 轉(zhuǎn)換器都可以滿足要求。這里采用串行8 位的AD 轉(zhuǎn)換器TLC549(＄1.1250)。TL549 采用三線制串行控制方法， 很方便與單片機(jī)控制器接口。該檢測電路的原理圖如圖5 所示。

　　圖5 諧振點(diǎn)檢測電路

　　高側(cè)電流感測參考設(shè)計電路圖

　　此 TI 高精度驗證設(shè)計通過一種雙電源、高側(cè)、四十年歷史的電流感測解決方案提供原理、組件選擇、仿真、完整 PCB 原理圖和布局、物料清單以及均衡性能，可以精確檢測 10uA-100mA 范圍內(nèi)的負(fù)載電流。相應(yīng)的線性輸出為 10mV 至 4.9V，允許常見 5V ADC 的測量。雖然可以對此類應(yīng)用使用傳統(tǒng)運(yùn)算放大器，但與傳統(tǒng)運(yùn)算放大器相比，PGA281(＄2.8687) 可具有更多優(yōu)勢，可提供更準(zhǔn)確、用途更廣泛的解決方案，例如：差動測量可最大程度降低 PCB 寄生效應(yīng)帶來的誤差，寬達(dá) ±12.5 V 的共模電壓輸入范圍， PGA281 可進(jìn)行引腳編程的增益允許輕松切換增益設(shè)置，實現(xiàn)寬負(fù)載電流范圍內(nèi)的測量‘

　　高側(cè)、四十年、雙向、經(jīng)驗證的電流感應(yīng)解決方案，感測10uA-100mA 范圍的電流，誤差小于或等于0.05%，支持寬達(dá)±12.5 V 的共模輸入范圍，擁有10mV 至 4.9V 輸出，允許常見 5V ADC 的測量，利用 PGA281 可進(jìn)行引腳編程的增益儀表放大器來實現(xiàn)四十年電流測。
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　　測量電流的兩種“損耗”電流感測

　　只使用一個電阻器便可測量電流。每個人都知道歐姆定律：V=IR。通過測量已知電阻器上的電壓就可以確定電流。圖 1 是如何測量電源輸出端電流的簡易圖。

　　圖 1：使用一個電阻器測量電源輸出電流

　　用這種方法測量電流可能對于限制或調(diào)節(jié) DC 層面上的輸出電流非常有用。出于控制目的，通常需要非?？焖俚販y量 AC 電流。圖 2 是測量同步降壓轉(zhuǎn)換器的 FET 電流的方法。

　　圖 2：使用一個電阻器測量 FET 電流

　　這種電流測量方法對于電流模式控制非常必要。在低側(cè) FET 的源極中使用一個電阻器會讓測量工作非常簡單，因為它以 GND 為參考。盡管使用一個電阻器非常簡單，但也有一個致命的弱點(diǎn) — 電阻器會消耗電源！雖然非常簡單，而且可能很精確（電阻器支持 0.1% 的容差），但電阻器確實會在系統(tǒng)中造成損耗。對于極大電流而言，這通常無法接受。這會在系統(tǒng)中快速形成很大的損耗。此外，電阻器還會對壓降產(chǎn)生穩(wěn)壓及電壓容差問題。必須有一種更好的方法！替代方案是使用電流傳感變壓器，其不僅可實現(xiàn)極低損耗，而且還可對 AC 電流進(jìn)行測量。在電阻器不適用的情況下，電流傳感變壓器可用來替代傳感電阻器，能夠提高效率。圖 3 是如何使用電流傳感變壓器測量隔離式轉(zhuǎn)換器中的初級電流。

　　圖 3：使用電流傳感變壓器測量初級電流

　　此外，電流傳感變壓器也有助于電路設(shè)計人員通過使用匝數(shù)升壓比獲得增益因數(shù)。要使用電流傳感變壓器，還需要增加一些電路并進(jìn)行額外的考慮。變壓器只能測量 AC 電流，因此需要在有限的時間內(nèi)關(guān)斷初級開關(guān)。在此期間，變壓器可復(fù)位，整個繞組的電壓可能會變負(fù)。因此，您需要使用一個與繞組串聯(lián)的二極管。事實上，變壓器需要復(fù)位，才能防止電流傳感變壓器用于測量 DC。如果沒有關(guān)斷時間供變壓器復(fù)位，它就會飽和，該信息就會沒用。變壓器在電路中及 PCB 上的布置也非常重要。必須注意確保讓循環(huán)電流環(huán)路最小化。

　　編輯點(diǎn)評：感測技術(shù)主要包括視覺感測、聽覺感測與觸覺、力覺感測、嗅覺、味覺感測等等，本文介紹的是基于電流感測的電路設(shè)計運(yùn)用，可以很快測試電流與電路損耗，有助于電路設(shè)計人員通過使用匝數(shù)升壓比獲得增益因數(shù)等優(yōu)勢。