簡(jiǎn)化電流感應(yīng),如何使用電流檢測(cè)放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)（一）

目錄

第1章：電流檢測(cè)概述,集成電阻器電流傳感器如何簡(jiǎn)化PCB設(shè)計(jì)（√）

多通道電流監(jiān)測(cè)的常見(jiàn)用途

使用數(shù)字電流傳感器進(jìn)行功耗和能耗監(jiān)測(cè)

使用電流檢測(cè)放大器的PLC系統(tǒng)中分立式數(shù)字輸出的安全和保護(hù)

簡(jiǎn)化電池測(cè)試設(shè)備中的電壓和電流測(cè)量

第 2 章：超出范圍電流測(cè)量 測(cè)量電流以檢測(cè)超出范圍的情況

第 3 章：開(kāi)關(guān)系統(tǒng)中的電流檢測(cè)具有增強(qiáng)型PWM抑制功能的低漂移、精密直列式電機(jī)電流測(cè)量

第4章：集成電流檢測(cè)信號(hào)鏈 集成電流檢測(cè)信號(hào)路徑

第5章：寬VIN 和隔離式電流測(cè)量 將差分輸出（隔離式）放大器連接到單端輸入ADC

簡(jiǎn)介

在解決與為成本優(yōu)化型應(yīng)用設(shè)計(jì)精確電流測(cè)量電路相關(guān)的難題時(shí)，設(shè)計(jì)人員面臨著很多選擇。方法非常廣泛，從使用通用運(yùn)算放大器或模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)（無(wú)論是獨(dú)立工具還是嵌入到微控制器 (MCU) 中），到利用各種專門為電流檢測(cè)而設(shè)計(jì)的定制組件，不僅 可以提供最大的靈活性，而且能夠以特定方式 解決難題。 

另一個(gè)難題是如何快速有效地縮小選擇范圍，找到 與您的特定系統(tǒng)要求最為匹配的潛在器件。TI 應(yīng) 用手冊(cè)通過(guò)解決特定用例，重點(diǎn)介紹如何識(shí)別 電路/功能問(wèn)題，以及簡(jiǎn)要介紹與該功能 相關(guān)的任何難題，從而讓上述難題迎刃而解。此外，TI 應(yīng)用手冊(cè)還概述了能夠支持該特定功能的 潛在器件的簡(jiǎn)短列表，以及可能有益于其他電路優(yōu) 化的一些替代解決方案。

該電子書中所述的應(yīng)用手冊(cè)集沒(méi)有詳盡地列出所有 電流檢測(cè)難題和 TI 應(yīng)用手冊(cè)，但它確實(shí)解決了當(dāng) 今出現(xiàn)的許多更加常見(jiàn)且具有挑戰(zhàn)性的功能電路。 如果您對(duì)此處涉及的主題有任何疑問(wèn)或者有任何其 他電流檢測(cè)疑問(wèn)，請(qǐng)將其提交至 TI E2E^TM 社區(qū)中的放大器論壇。

第 1 章：電流檢測(cè)概述

集成電阻器電流傳感器如何簡(jiǎn)化PCB設(shè)計(jì)

測(cè)量電流的最常用方法是檢測(cè)分流器或電流檢測(cè)電阻器上的壓降。為了實(shí)現(xiàn)高度精確的電流測(cè)量，您需要檢查電阻器和電流檢測(cè)放大器的 參數(shù)值。電流檢測(cè)電阻器和電流檢測(cè)放大器之間恰 當(dāng)?shù)牟季謱?duì)于避免精度下降而言非常重要。

圖1顯示了電流檢測(cè)放大器的典型原理圖，其中 以陰影部分顯示了高側(cè)電流檢測(cè)和重要設(shè)計(jì)區(qū)域的連接。

圖1：以陰影部分顯示錯(cuò)誤源的高側(cè)電流檢測(cè) 使用電流檢測(cè)放大器時(shí)，電流檢測(cè)或分流電阻器的選擇 是最重要的設(shè)計(jì)考量因素之一。

設(shè)計(jì)時(shí)，通常需要首先 選擇電阻器值和功率。電阻器的電阻值通常根據(jù)最大預(yù)期電流時(shí)實(shí)現(xiàn)所 需最大差分電壓來(lái)選擇。還可以根據(jù)功率損耗預(yù)算來(lái)選 擇電阻器值。

確定電流檢測(cè)電阻器的電阻值和功率后，要考慮的第二 個(gè)參數(shù)就是電阻器容差，因?yàn)檫@將直接 影響檢測(cè)的電壓和電流測(cè)量的精度。不過(guò)，設(shè)計(jì)人員通常會(huì)忽略一個(gè)更細(xì)微的參數(shù) - 電阻器溫度系數(shù)。溫度系數(shù)通常 以百萬(wàn)分率/攝氏度為單位，它很重要，因?yàn)殡娮杵鞯? 溫度會(huì)因電流經(jīng)過(guò)組件時(shí)損耗的功率而升高。低成本電阻器的額定容差通常小于 1%，但在實(shí)際應(yīng)用中，電阻 器的溫漂會(huì)帶來(lái)不利影響。

在您選擇電阻器之后，您需要注意其印刷電路板 (PCB) 布局以獲得準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。為了準(zhǔn)確測(cè)量電流，電流 檢測(cè)電阻器必須有四個(gè)連接。兩個(gè)布置電流檢測(cè)電阻器時(shí)最常見(jiàn)的錯(cuò)誤之一是將電流檢測(cè) 放大器輸入端連接到電流承載跡線，而不是直接連接到 電流檢測(cè)電阻器，如圖 2a 所示。圖 2b、2c 和 2d 顯 示了連接電流檢測(cè)電阻器的其他有效方法。

圖2：電流檢測(cè)電阻器布局技術(shù)

圖 2d 中的布局展示了到電流檢測(cè)電阻器的獨(dú)立四線（ 開(kāi)爾文）連接。該技術(shù)最常用于分流電阻器的值低于 0.5mΩ 而且與電阻器連接串聯(lián)的焊接電阻明顯添加到總 體分流電阻的情況。由于電阻精度很大程度上取決于制 造電阻時(shí)所用的測(cè)量位置，因此很難知道 哪種布局技術(shù)會(huì)在最終的 PCB 設(shè)計(jì)上取得最好的結(jié)果。 如果電阻器值是在焊盤內(nèi)部測(cè)量的，那么圖 2c 中展示 的布局會(huì)提供最佳的測(cè)量結(jié)果。 如果電阻器值是在側(cè)面 測(cè)量的，那么圖 2b 中展示的布局會(huì)提供最高的精 度。。選擇最佳布局的困難之處在于，許多電阻器產(chǎn) 品說(shuō)明書并不針對(duì)獲得最佳的電流檢測(cè)精度提供布局建 議，也不提及制造過(guò)程中使用的測(cè)量點(diǎn)。 

將電流檢測(cè)放大器與集成的電流檢測(cè)電阻器搭配使用 可以簡(jiǎn)化有關(guān)電阻器選擇和 PCB 布局的難題。TI 的INA250、INA253和INA260器件在電流檢測(cè)放大器 的封裝內(nèi)集成了電流檢測(cè)電阻器。 與電流檢測(cè)電阻器 的連接已經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)最佳測(cè)量精度和溫度穩(wěn)定 性。INA250 和 IAN253 是模擬輸出電流檢測(cè)放大器，而 INA260 是數(shù)字輸出電 流傳感器，可通過(guò) I2C/系統(tǒng)管理總線 (SMBus) 接口報(bào) 告電流、功耗和總線電壓。

圖3是包含電阻器連接的 INA250 的方框圖。

在 -40°C 到 125°C 的溫度范圍內(nèi)是 0.75%。對(duì)于沒(méi) 有集成分流電阻器的器件，計(jì)算精度時(shí)必須考慮到器件 增益誤差、增益誤差漂移、電阻容差和電阻器漂移，才 能獲得總體系統(tǒng)增益誤差，因此可能很難挑選組件來(lái)滿 足總體系統(tǒng)精度規(guī)格。INA253 是一款能夠承受 80V 電 壓的器件，它還在 -40°C 至 125°C 溫度范圍內(nèi)具有 0.75% 的 溫度范圍.INA260 是一款數(shù)字電流輸出器件，具有 0.15% 的最大總室溫增益誤差。該總增益誤差已包括集 成電阻器的變化和電流檢測(cè) 放大器的增益誤差。到電流檢測(cè)電阻器的連接位于封裝 內(nèi)部，并針對(duì)每個(gè)器件進(jìn)行了校準(zhǔn)，以消除電阻器連接 點(diǎn)導(dǎo)致的變化。 

在需要精確電流測(cè)量的設(shè)計(jì)中，集成的分流產(chǎn)品可提 供更高的精度，而且可以降低總體解決方案成本。要使 INA260 實(shí)現(xiàn)類似的精度，需要使用增益誤差小于 0.1% 的電流檢測(cè)放大器和初始容差小于 0.05% 的低漂移電阻器。 一般來(lái)說(shuō)，精度小于 0.1% 的大功率電阻器成本高 昂，每 1,000 件可能需要數(shù)美元。

INA260 中的集成電阻器的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是電阻器值已經(jīng) 過(guò)校準(zhǔn)，是在內(nèi)部設(shè)置的，因此返回的電流值可輕松轉(zhuǎn) 換為安倍數(shù)。其他數(shù)字解決方案需要在內(nèi)部或主機(jī)處理 器中對(duì)電流檢測(cè)電阻器的值進(jìn)行編程，以便返回的電流 讀數(shù)可以相應(yīng)地轉(zhuǎn)換。

 INA250、INA253 和 INA260 中使用的 集成分流技術(shù)可精確測(cè)量電流，降低布局復(fù)雜性，更 好地了解總系統(tǒng)誤差，并且成本比同等精度的其他解 決方案要低。在需要精密操作且需要支持高于 15A 的 電流的應(yīng)用中，您可以使用在菊鏈配置中并聯(lián)多個(gè) IN A250 或 INA253器件（如其產(chǎn)品說(shuō)明書中所示），或 者使用多個(gè) INA260 器件（只要主機(jī)處理器可以 匯總報(bào)告的電流讀數(shù)即可）。如果由于解決方案的大小 而導(dǎo)致并聯(lián)多個(gè)器件來(lái)監(jiān)測(cè)高于 15A 的電流是不可行 的，表 1 中列出了您可以用來(lái)監(jiān)測(cè)較高電流的器件（使 用外部分流電阻器）。

多通道電流監(jiān)測(cè)的常見(jiàn)用途

隨著對(duì)系統(tǒng)智能和功效的需求不斷增長(zhǎng)，對(duì)更佳的重要 系統(tǒng)電流監(jiān)測(cè)的需求也變得越來(lái)越強(qiáng)烈。 在過(guò)去，配置為差分放大器的多個(gè)運(yùn)算放大器或分布在 系統(tǒng)中的多個(gè)電流監(jiān)測(cè)放大器可能會(huì)執(zhí)行此類監(jiān)測(cè)。但 隨著電流監(jiān)測(cè)通道數(shù)的增加，實(shí)現(xiàn)解決方案所需的外部 組件的數(shù)量也在增加。這些額外的組件增加了設(shè)計(jì)復(fù)雜 性和解決方案尺寸，并且可能降低整體電流監(jiān)測(cè)精度。 例如，考慮一個(gè)需要測(cè)量?jī)蓚€(gè)電流的情況，如圖1所示。 

圖 1：分立式與集成式電流檢測(cè)解決方案

在這種情況下，基于運(yùn)算放大器的解決方案需要使用八 個(gè)電阻器（用于設(shè)置增益）、兩個(gè)旁路電容器和兩個(gè)電 流檢測(cè)電阻器。使用INA2180實(shí)現(xiàn)的相同電路僅需要 兩個(gè)電流檢測(cè)電阻器和單個(gè)旁路 能量諧振造成的。由于集成式增益設(shè)置電阻器匹配良 好，因此 INA2180 解決方案的精度遠(yuǎn)高于具有成本效益 的分立式實(shí)現(xiàn)。集成式增益設(shè)置電阻器 可實(shí)現(xiàn)精度更高的監(jiān)測(cè)，或允許使用容差更寬的電流檢 測(cè)電阻器，以實(shí)現(xiàn)低成本應(yīng)用。INA2180 和INA2181系列也更靈活，因?yàn)樗鼈兛梢员O(jiān)測(cè)電壓高于電源電壓的 電阻器上的壓降。

除了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程和減少外部組件數(shù)量之外，在單個(gè)封裝中使用多個(gè)電流監(jiān)測(cè)器件可實(shí)現(xiàn)多種常見(jiàn)的應(yīng)用解決 方案。 例如，考慮圖 2 所示的應(yīng)用，其中外部模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 監(jiān)測(cè)存儲(chǔ)器和處理器消耗的總電流。

圖 2：監(jiān)控兩個(gè)電源軌中的總電流

一種方法是監(jiān)測(cè)中央處理器 (CPU) 和存儲(chǔ)器電流，將電 多路復(fù)用到 ADC，然后在微處理器中 將結(jié)果值加在一起。這種方法需要一些數(shù)學(xué)處理（以及 ADC），從而以足夠快的速率連續(xù)對(duì)輸出進(jìn)行采樣，以使 其有效。更好的方法是使用 INA2181 的 REF 引腳將存 儲(chǔ)器消耗的電流與 CPU 消耗的電流相加。您可以通過(guò)將 通道 1（用于監(jiān)測(cè)存儲(chǔ)器電流）的輸出連接到 REF2 來(lái) 實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，如圖 3 所示。

圖 3：使用 INA2181 對(duì)模擬電流進(jìn)行求和

通道2的輸出將是來(lái)自CPU和存儲(chǔ)器的電流的放大總和。ADC 可以監(jiān)測(cè)來(lái)自存儲(chǔ)器的電流和總電流。但由于通道2的輸出是模擬信號(hào)，因此具有適當(dāng)設(shè)置參考值的 比較器可在發(fā)生過(guò)流情況時(shí)中斷系統(tǒng)。為使該電路正常 工作，兩個(gè)檢測(cè)電阻器的值必須相同。

多通道電流監(jiān)視器的另一個(gè)方便用途是檢測(cè)意外的泄漏路徑。這些泄漏路徑可能是由意外的接地短路或其他一些不在電流測(cè)量路徑中的電勢(shì)導(dǎo)致的。檢測(cè)漏電流路徑的一種技術(shù)是監(jiān)測(cè)進(jìn)出電路的所有電流。只要不存在意外的泄漏路徑，流進(jìn)負(fù)載的電流就一定等于流出的電流。 如果進(jìn)入電流相等，則不會(huì)檢測(cè)到意外的電流泄漏 徑。

使用雙電流監(jiān)視器提供了一種用于檢測(cè)漏電流路徑的簡(jiǎn)單技術(shù)，無(wú)需使用多個(gè)器件，也不必從外部添加或減去電流。圖 4 中顯示的電路使用 INA2181 來(lái)監(jiān)測(cè)流進(jìn)和 流出負(fù)載的電流。通過(guò)反轉(zhuǎn)第二個(gè)放大器的電阻器連接 的極性并將第一個(gè)放大器的輸出連接到第二放大器，可 以從流出負(fù)載的電流中減去流進(jìn)的電流。

圖 4：使用 INA2181 進(jìn)行電流消減以實(shí)現(xiàn)漏電流檢測(cè)

如果 OUT2 處的電壓等于施加的基準(zhǔn)電壓，則不存在泄 漏路徑。如果V_OUT2高于施加的基準(zhǔn)電壓，則有意外的 電流流出負(fù)載。類似地，如果 VOUT2低于 基準(zhǔn)電壓，則有意外的漏電流流進(jìn)負(fù)載。像以前一樣， 為了使該電路 正常運(yùn)行，電流檢測(cè)電阻器的值必須相等。 

TI 提供了多種多通道電流監(jiān)測(cè)解決方案。為了監(jiān)測(cè)四個(gè)通道，INA4180和 INA4181 器件提供了一個(gè)模擬電壓輸出。INA3221 能夠精確測(cè)量最多三個(gè)獨(dú)立通道的系統(tǒng)電 流和總線電壓。通過(guò)I2C兼容接口報(bào)告電流和電壓值。