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2021-04-16
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新一代汽车和工业设计在精确控制和诊断功能以及可靠性和安全功能方面面临着越来越高的要求。实现这些新功能常常需要精确的电流检测，因此近年来对精确的高压侧电流检测放大器的需求出现了稳步增长。高压侧电流检测放大器用途很广，可以用在电动机伺服控制、螺线管定位、电池充电和放电电路以及过流监视器和短路故障检测器等各种应用中。
高压侧电流检测概述
最常见的电流测量方法是，测量一个小的“检测”电阻（RSENSE）上的电压，该电阻放在电流通路中。但在接地通路中放置电阻会引起一些问题，为此将检测电阻通常放在电路的电源侧。如图1所示，高压侧电流检测放大器从直流电源电压高端分出一个小的差分电压。
图1 高压侧电流检测配置
高压侧电流检测传统上是用少量分立元件（电阻、电容器、开关等）、运算放大器、差分放大器和/或仪表放大器实现的。不过今天，专用高压侧电流检测具有更快的响应速度、更低的功耗、更高的准确度且所需空间更小。因此，专用的高压侧电流检测放大器得到了广泛使用，这催生了对密度更高的器件的需求。尤其是，双电源监视需要一个双器件（在一个封装中有两个高压侧电流检测放大器），而且双器件能以独特方式满足一些通用电流检测应用的需求。
H桥式驱动器电路
用于电动机等的执行器驱动本质上一般是双向的，而且常常基于H桥式拓扑。H桥式MOSFET阵列（见图2）用脉冲宽度调制（PWM）改变被控制的扭矩。电流监视可用作闭环伺服环路的组成部分和/或用于实现故障检测和保护功能。经典的电流检测方法是给负载串联一个检测电阻（见图2a）。一种更好的方法是使用两个检测电阻，放在电源与每个1/2桥之间（见图2b）。现在检测电压可以准确反映H桥每一侧的电流，同时避免了由电动机负载产生的大电压摆幅在电流检测放大器中引起噪声。此外，这样分开配置可以检测 MOSFET故障或负载短路，用单个检测电阻也许检测不到这两种情况。
图2 （a）采用单个检测电阻的H桥
（b）采用两个检测电阻的H桥
双向工作
双向电流检测指的是监视检测电阻中流过的任一方向的电流。例如，在由电池供电的系统中，检测电阻可以监视从电池流向负载的放电电流，同一个检测电阻还可能用来监视从充电器流向电池的充电电流（见图3）。凌力尔特公司的LT1787等双向电流检测放大器为双向应用提供了一种简单的解决方案。这种放大器能承受高达60V的共模电压，可以检测正和负的检测电压。
图3 双向高压侧电流检测放大器
双向电流检测放大器的一种替代解决方案是采用两个单向器件，每一个放大器监视一个方向的电流。这种方案的优点是提高了实际的满标度输入检测范围。要想知道原因，想一想单个双向放大器必须处理范围为-VSENSE～+VSENSE的检测电压就明白了。既然动态范围、增益准确度和响应时间取决于满标度检测电压，那么用两个独立的放大器分别处理整个输入信号范围的一半就可以提高性能。
在每个方向上的电流范围不同时，采用两个放大器实现双向工作也非常有用。例如，就一个迅速充电系统而言，充电电流也许比放电电流大得多。在这种情况下，可以为每个方向单独设置增益和/或对每个方向采用不同的检测电阻。采用不同的检测电阻（见图4）可以避免过渡消耗功率，因为大的充电电流和小的放电电流不必通过相同的电阻。不同的检测电阻还允许分别调节每个方向的增益和分辨率。
图4 用两个单向放大器实现双向工作
大/小增益范围
就跨大电流范围的单向电流监视而言，具有不同检测电阻（两个检测电阻串联）的两个放大器可以实现“大”电流范围和“小”电流范围。这实际上将电流检测需求分成了两部分，每个部分由一个放大器完成，从而实现了宽动态工作范围。图5所示电路可用来组合电流检测输出，在大电流范围工作时，MOSFET可用来旁路小电流检测电阻。由于大电流不必通过小电流检测电阻，因此旁路小电流检测电阻降低了功耗，并提高了可靠性。
图5 用两个单向放大器实现大/小增益范围
新型器件
就双路高压侧电流检测应用而言，LTC6103和LTC6104非常适用（见图6和图7）。这两种新器件都采用MSOP8封装，一个封装中都有两个高压侧检测放大器。
图6 LTC6103
图7 LTC6104
LTC6103含有两个完全独立的放大器，LTC6104两个放大器的输出通过一个电流反射镜组合在一起。LTC6103的两个独立输出端可以提供单个差分输出，非常适用于ADC接口。LTC6104的单个双向输出对反馈和伺服控制应用来说非常方便。
每个放大器都有1μs的阶跃响应，在检测迅速而且也不希望电流变化时可以快速响应。LTC6103和LTC6104的共模输入电压范围高达70V，可以在很宽的系统电压范围内工作。这种高共模电压还提供了充足的电压空间，可以在出现多种负载故障或反激情况时正常工作，负载故障和反激可能引起高的电压尖峰。能够在-40～125℃ 的温度范围内工作还使这两种器件非常适用于工业和汽车应用。
输入偏置电流远远低于1μA（典型值为100nA），就大多数应用而言，这实际上消除了输入电流成为误差源的问题。最高输入失调电压为±450μV，因此这些放大器可以分辨低至450μV 的检测电压。有了这么卓越的精确度，用户在选择检测电阻以最大限度地提高动态范围或最大限度地降低功耗时，就有了极高的灵活性。一旦选定了合适的检测电阻，就可以选择两个增益设置电阻，以实现就应用而言最恰当的增益和阻抗特性。
一个额外的好处
LTC6103 和 LTC6104 基本上是高共模跨阻抗放大器。作为一种电流检测的转换方案，经由一个小的检测电压，这些放大器可以用大的差分输入工作。这类信号监视不是电流测量，而是电压测量。
图8 电压转换
大多数高压侧电流检测放大器的最高输入信号电压都是500mV或更低，与这些放大器不同，LTC6103和LTC6104的最高差分输入电压仅受电源电压限制。这种特点对监视浮动电源或激光二极管信号可能有用，因为这类应用需要高端电压监视。
(mbbeetchina)
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