如何精确计算高端电流检测放大器的过流

最近，一位工程师要求一种解决方案，以提供20A负载的高边监控，其精确的过流检测阈值优于5%。没有易于获取的现成解决方案能够使用精度低于5%的低值检测电阻器！为什么是5%？10%可以吗？对于 20A 负载，10% 的电流限制将导致跳闸门限最小值为 18A 最小值或最大值 22A，裕量比可接受的裕量大得多。是什么因素使5%如此困难？在本应用笔记中，我们讨论了实现5%精度的挑战，并提出了一种解决方案，该解决方案可提供高端电流检测放大器过流保护方案所需的精度。

概述

电流检测放大器（CSA）可以使用多种拓扑结构进行设计，其中两种拓扑如图1所示。 和 2.在图1中，运算放大器（运算放大器）配置为差分放大器，用于放大 在电流检测分流电阻器两端产生的差分电压。有一些应用程序 低侧电流检测的使用有限制;但是，本应用笔记不会讨论这些情况。请参考Maxim应用笔记746：“高端电流检测：电路和原理”，了解有关低侧电流检测与高端电流检测的更多详细信息 电流检测。

差分放大器拓扑的主要限制是R1与R4的电阻比匹配，该匹配设置了 差分增益和共模增益误差两个方程决定了精度误差的主要来源 电路。公式1是图1增益的公式，公式2详细说明了共模增益误差。公式 3 用于计算 V外对于图 1。

当R1至R4使用1%电阻时，测量电流的总误差将大于5%，并且 使用最坏情况公差计算误差。因此，需要降低公差。 电阻器的费用更高。这种方法的主要缺点是对精密电阻的要求 严格容差R4/R3和R2/R1的比率值，以克服对更高共模电压的误差敏感性。

图1.基于运算放大器的差分放大器。

图 2 显示了用于设计 CSA 的另一种常见拓扑。采用这种方法，电流检测分流电阻 仍然用于检测负载电流。然后，检测电阻两端产生的电压在R1上镜像，该电流被传输到R。外.CSA 电压输出为：

在这种配置中，增益只是R的比值外/R1.在制造过程中，可以轻松消除比率误差。这种拓扑结构大大简化了对紧密匹配电阻比的要求，这对于图1所示的差分放大器方法非常重要。因此，我们可以大幅减少先前方法中发现的共模电压误差。为了尽量减少错误，R2 = R1 有助于取消 排除由输入偏置电流引起的任何失调误差。

图2.Maxim电流检测拓扑结构。

设计解决方案的步骤

设计一个能够最大限度地降低高边CSA整体测量误差的解决方案，首先要设计一个基本的电路图，如图3所示。

图3.过流检测电路。

有多种方法可以设计电路来解决相同的问题。图 3 中描述的解决方案使用更多 超过一个 IC。然而，在开始设计双芯片方案之前，我们先考虑MAX4373，它集成了所需的大部分电流检测功能（图4）。

图4.MAX4373/MAX4374/MAX4375功能电路图

MAX4373集成CSA、0.6V内部基准和单路比较器，具有锁存输出，支持 整体占地面积更小。锁存比较器输出及其复位输入可以控制 外部p沟道MOSFET，与图3所示的解决方案相比，这反过来又简化了实施 方框图。图5所示为典型的过流保护电路图。电压输入大于 5V 要求在COUT1和MOSFET栅极之间建立电平转换电路。这是控制外部所必需的 MOSFET 作为 5V 是 COUT1 上的最大上拉电压。

图5.MAX4373过流保护电路

虽然MAX4373提供了一个有趣的选择，但最好进行并排比较以确定 最佳解决方案。将所有必需的参数输入电子表格后，很明显，MAX4373 解决方案不会提供比 5% 最坏情况精度更好的结果。使用MAX9938进行类似的练习，我们发现该选项提供了更好的解决方案，可以最大限度地减小精度误差。

表 1.MAX9938/MAX9053A与MAX4373的比较

 

规范	MAX9938/MAX9053A	MAX4373
CSA 输入随温度变化的偏移	600μV	2mV
CSA 增益随温度变化的误差	±0.6%	±2.7%
CSA -3dB 带宽 G = 100	30千赫	110千赫
比较器基准初始精度（+25°C）	±10mV	±10mV
参考文献 t最低/ 6.MAX	最小 2.495V /最大 2.5045V	最小 0.586V /最大 0.614V
最差情况比较器输入失调电压	±7mV	不适用
比较器传播延迟	450纳秒	4μs 典型值

 

本应用笔记不详细介绍MOSFET和MOSFET驱动器/故障逻辑电路的设计和选择。 由于该文件主要是关于检测过电流的准确性。学习控制 MOSFET，请参考Maxim应用笔记4501、265、4415和2015。

我们的解决方案的设计要求如下：

V 电源 = 12V ±10%，（最小 10.8V /最大值 13.2V）

最大负载电流 = 20A

20A = ±5% 或 ±1A 时的最大电流限制精度

响应时间也很重要，因为它还可能影响精度和电路保护可靠性。请注意， 为该解决方案选择的比较器具有非常快的响应时间，如表1所示。

选择电流检测分流电阻器

确定检流电阻（R意义).更大的R意义值 增加串联红外压降和功率损耗;但是，这也将最大限度地减少偏移的影响 电压误差，如表2所示。对于要求最小电压和功率损耗的设计，请使用最低的 R意义值可能，同时保持在总体精度目标之下。表 2 提供了概述的快速概述 CSA 电压输出误差由 CSA 失调电压和 R意义价值。然而，这里有一个权衡 在选择较小的电流检测电阻器（以增加增益为代价）和更高的电流检测电阻器之间 值检流电阻，但代价是使用更大的更高功率检流电阻（R意义) 这样可以最大限度地降低输入失调电压的影响。像这样的高电流检测应用可以 产生实质性的I2R 中的功率损耗意义.对于此设计，0.00125Ω检测电阻和 CSA 增益 100在功耗和输出误差之间提供了很好的折衷方案。请注意，表 2 已构建 使用所需的最大输出电流 20A，电压跳变电平由比较器基准设定 电压为2.5V。MAX9938的CSA增益选项为25、50、100和200。请注意，对于1.25V基准， 使用相同的检测电阻可将所需增益降低两倍。对于此示例， 我们采用2.5V基准。

表 2.电流检测电阻器选项

 

CSA 增益	V意义（F.S） （2.5V/增益）	R意义（RS） （五意义/我负荷)	帕金森（RS）（W）	加航五世外MAX9938 V引起的误差操作系统（±600V 过温），具有理想的 CSA 增益 （%）
25	0.100	0.005	2	0.6
50	0.050	0.0025	1	1.2
100	0.025	0.00125	0.5	2.4
200	0.0125	0.000625	0.25	4.8

 

如前所述，从 100 的 CSA 增益开始，以最大限度地减少整个检测的压降和功率损耗 电阻器。为了设计具有最佳精度和小尺寸的电路，我们使用MAX9053A比较器 集成精密基准和MAX9938精密CSA。MAX9938采用类似的拓扑结构，如 图2.许多其他具有更低直流误差的合适CSA可用于此设计。例如 MAX44284是另一个绝佳的选择，具有±27μV的最大输入失调电压和 最大增益误差为0.26%。当RS值为0.00125Ω时，CSA的理想线性响应为125mV/A， 对于一个 20A 负载，产生一个 2.5V 的 CSA 输出。请注意，可用的标准值检流电阻可能不同 来自表 2 中生成的那些。只需使用这些值即可获得 20A 的理想跳变点，无需调整。用 设计电子表格以输入其他值并快速重新计算新的行程点。表3和表4显示了CSA和比较器的数据手册误差。这些参数在错误预算电子表格中使用。

表 3.MAX9938电流检测放大器误差

 

检测电阻容差 （%）	1
检测电阻温度漂移 （ppm）	10
电流检测放大器增益随温度变化误差 （%）	±0.6
电流检测放大器在整个温度范围内的失调误差 （μV）	±600

 

表 4.MAX9053A比较器门限误差

 

参考温度系数（ppm）	30
初始基准公差误差 （V）	±0.010
比较器失调误差 （V）	±0.007

 

电子表格中使用了以下公式。CSA的电压输出由公式4定义。

使用设计电子表格节省时间

使用电子表格计算错误可以节省宝贵的时间，尤其是在需要更改时。图6显示了一个电子表格，用于根据数据手册中的最坏情况误差计算总误差。根 平方和 （RSS） 分析，其中总误差是单个误差的平方和的平方根， 未使用。RSS 基于这样一种思想，即在添加两个随机分布（正态分布或 高斯）测量，所得分布的标准差等于 初始分布标准差的平方和。因为个别错误来源 不相关，RSS 方法可能比最坏情况的方法更现实（如 CSA 的情况）。为 此电子表格根据最差增益误差、失调误差和检测计算 CSA 的电压输出 电阻容差和温度漂移。接下来，计算最差情况比较器跳变电平并执行 基于这两个值的误差计算。理想情况下，误差高于 RSS 方法的误差。因为 使用最坏情况误差，本例中计算的误差小于5%，实际实际误差应为 小于计算的最坏情况误差。请注意，由于 CMMR 引起的任何错误都不包括在内，因为这些错误 根据数据表检查，错误微不足道。Maxim应用笔记5095：“直流误差预算计算器简化了最佳检流放大器的选择”提供了另一个优点 使用 RSS 方法计算 CSA 中的 DC 误差预算的文档。图 6 电子表格还 包括用于确定过流跳变点的比较器的误差。

 

比较器精度
输入比较器的这些值
漂移的增量温度	40	C
参考	30	页米
名义	2.5	V
最坏情况下初始容差	0.0008	V
±最差情况比较器失调	0.0007	V
计算的比较器测量误差
漂移误差	0.12	%
带阈值的比较器	0.72	%
比较器跳变点	2.518	V
比较器跳变电平误差（称为I检测输出）	-0.018	V
电流放大器精度
输入这些值 CS 放大器
检流电阻器 RS	0.00125	欧姆
电流检测电阻容差	-1
电流检测电阻温度系数	50	页米
漂移的增量温度	40
实际检流电阻 （RS） 值	0.0012500750
计算电阻功率耗散	0.50399	W
理想的电流检测放大器增益	100	V/V
负载电流	20.00000	安培
电流检测放大器数据表增益误差	0.6	%s
电流检测放大器数据手册失调误差	600	μV 的
计算的 CS 安培测量误差
电流检测理想输出	2.5	伏
电流检测实际 Vout = 第 × 幕 G ± 行动 G x Vosh	2.5644703	伏
电流检测输入 （Vsense） 理想值	0.025	伏
电流检测 VIN （Vsense） 实际 = 动作 RS ×负载电流	0.0251995
电流检测实际增益	99.4	V/V
总电流放大器电压误差（称为I检测输出）	0.06289545	V
实际电流限制 = Vtrip - （G x Vos）/G/Rsenseh	19.6289545	一个
跳变点错误	1.8552	%

 

图6.错误预算设计电子表格。

总结

CSA 可用于广泛的应用。为了最大限度地减少整体测量误差，在使用CSA进行设计时，了解应用权衡至关重要。在本应用笔记中，我们定义了误差 限流电路的源，将它们组织在一个易于使用的电子表格中。

审核编辑：郭婷