高端电流检测：差动放大器与电流检测放大器

精确的高端电流检测在许多应用中都是必需的，包括电机控制、电磁阀控制和电源管理（例如，DC-DC转换器和电池监控）。在此类应用中，监控高端（而不是返回）的电流可以提高诊断功能，例如确定对地短路和连续监测再循环二极管电流，并通过避免引入分流电阻来保持接地路径的完整性。图1、图2和图3描述了用于电磁阀和电机控制的典型高侧分流配置。

图1.典型电磁阀控制中的高边分流器。

图2.H桥电机控制中的高边分流器。

图3.三相电机控制中的高边分流器。

在上面显示的所有配置中，分流电阻器（用于监控负载电流）上的脉宽调制（PWM）共模电压在从地到电池的整个范围内摆动。该PWM输入信号将具有由从功率级到FET的控制信号建立的周期、频率和上升/下降时间。因此，监控分流电阻两端电压的差分测量电路需要将非常高的共模抑制和高电压处理能力以及高增益、高精度和低失调的严格组合，所有这些都是为了提供负载电流值的真实表示。

在使用单个控制FET的电磁阀控制（图1）中，电流始终沿同一方向流动，因此单向电流传感器就足够了。在电机控制配置（图2和图3）中，将分流器放在电机相位上意味着分流电阻中的电流可以双向流动;因此，需要双向电流传感器。

研究高端电流检测功能选择的设计人员会发现许多半导体供应商的各种选择。然而，一个关键的发现是，这些集成电路器件的选择可以根据两种完全不同的高压架构进行分类：电流检测放大器和差动放大器。

我们将在这里确定并解释这些架构之间的一些关键差异，以帮助需要高端电流检测的设计人员选择最适合应用的器件。我们将比较两个高压器件，即双向差动放大器AD8206和双向电流检测放大器AD8210。两款器件均提供相同的引脚排列，并且都执行高端分流监控，但它们的规格和架构不同。那么，如何考虑哪种设备最适合该应用呢？

他们是如何工作的

AD8206（图4）是一款集成式高压差动放大器，通过使用输入电阻将输入电压衰减65.16：7，使共模电压保持在放大器A1的输入范围内，可承受高达1 V的共模电压。遗憾的是，输入电阻网络也会以相同的值衰减差分信号。为了实现AD8206的20 V/V特性增益，放大器A1和A2实际上必须将差分信号放大约334 V/V。

图4.AD8206简化原理图

该器件通过将输出放大器偏移到电源范围内的合适电压来实现双向输入测量。失调是通过向连接到A2正输入端的精确调整的电阻分压器施加外部低阻抗电压来实现的。该器件的一个有用特性是，当共模电压变为负值多达2 V时，它能够正确放大差分输入电压，这是图中所示250 mV共模偏置电路的结果。

AD8210（图5）是最近推出的高压电流检测放大器，具有与AD8206相同的功能关系，并使用相同的引脚连接。但是，它的工作方式不同，并且得到的规格与差动放大器的规格不同。

图5.AD8210功能框图

一个明显的区别是，输入结构不依赖于电阻衰减网络来处理大共模电压。输入放大器包括高压晶体管，可用于XFCB IC制造工艺。因为 V行政长官暴露于该电压的所有晶体管的击穿均超过65 V，输入端的共模电压可高达65 V。

AD8210等电流检测放大器按以下方式放大小差分输入电压。输入端子通过R1和R1连接到差分放大器A2。A1通过调节通过晶体管Q1和Q2的R1和R2的电流，使自身输入端子上的电压为零。当AD8210的输入信号为0 V时，R1和R2中的电流相等。当差分信号不为零时，通过其中一个电阻的电流增加，在另一个电阻中减小。电流差与输入信号的大小和极性成正比。通过Q1和Q2的差分电流通过两个内部精密调整电阻转换为以地为参考的差分电压。然后，该电压可以通过放大器A2放大，这次使用由器件的5 V（典型值）电源供电的低压晶体管，以产生总增益为20的最终输出。

采用这种架构的电流检测放大器通常仅在输入共模电压保持在2 V或3 V以上，并且应用不要求输入共模电压一直接地（或低于）时才有用。但是，AD8210使用上拉电路将放大器A1的输入保持在5 V电源附近，即使输入共模降至5 V以下，甚至一直降至–2 V。因此，在远低于器件 5V 电源的共模电压下，可以进行精确的差分输入电压测量。

很明显，电流检测放大器和差动放大器执行相同的功能，但工作方式却大不相同。差动放大器衰减高输入电压，使信号达到放大器可以容忍的水平。电流检测放大器将差分输入电压转换为电流，然后再转换回以地为参考电压;由于其高压制造工艺，其输入放大器能够承受较大的共模电压。两种架构之间的差异自然会导致性能差异，设计人员在选择高端电流监控解决方案时必须考虑这些差异。制造商的数据手册通常提供根据精度、速度、功率和其他参数正确判断使用哪种类型的器件所需的大部分信息。然而，在阅读数据手册时，器件架构固有的一些关键差异并不是很明显，但它们可能是重要的设计考虑因素。以下是工程师必须注意的要点，以获得最佳解决方案。

带宽：由于输入衰减，许多差动放大器的带宽通常约为电流检测放大器的五分之一。然而，差动放大器的较低带宽对于大多数应用来说仍然足够。例如，许多电磁阀控制应用的运行频率低于20 kHz，但由于噪声考虑，电机控制通常必须以20 kHz或更高的频率运行。电磁阀控制通常涉及查看平均电流，差动放大器的带宽非常适合这种应用。另一方面，对于电机控制，瞬时电流是关键，尤其是在测量电机相位时;因此，电流传感器架构具有更高的带宽，将产生更真实的实际电机电流表示。

共模抑制：这两种体系结构之间的输入结构差异也会导致 CMR 性能的差异。差动放大器通常具有经过调整的输入电阻，跟踪精度为0.01%。这种匹配程度通常可在直流时保证 80 dB CMR。电流检测放大器采用晶体管输入结构，可以获得更好的匹配，因此CMR不再依赖于输入电阻匹配，通常可以指定在100 dB以上，但共模电压值较低时除外。例如，当输入共模电压小于8210 V时，AD80提供与差动放大器相同的5 dB。在此电压范围内，由于上述内部上拉电路，输入结构变为阻性;因此，CMR再次成为0.01%精密调整电阻匹配的函数。不过，在整个范围内，电流检测架构将提供更好的共模抑制。

外部输入滤波的影响：如果要在高端电流检测应用中使用输入滤波，该架构可能具有很高的影响力。输入滤波器旨在消除输入噪声和电流尖峰的影响，通常如图6所示实现。

图6.输入过滤器选项。

由于每个器件（无论其架构如何）都有一些经过调整的输入电阻，因此串联添加的任何外部电阻都会产生失配，导致增益和CMR误差，通常计算如下（R在是指定的放大器输入电阻）：

差动放大器的输入电阻大于 100 kohm。对于AD8206，其中R在= 200 kohm，如果使用200欧姆滤波电阻，则额外的增益误差将为~0.1%。假设电阻容差为1%，这些外部元件产生的共模误差将为–94 dB，因此其贡献无关紧要，因为它基本上隐藏在器件的80 dB指定CMR误差中。

电流检测放大器虽然具有高得多的共模输入阻抗，但具有通常低于5 kohm的输入串联电阻，以便将差分输入电压转换为电流。对于AD8210，必须使用以下公式重新计算上述公式R在= 3.5 kohm（差分输入阻抗）。在这种情况下，滤波电阻引起的额外增益误差可能高达5.4%！此外，假设最坏情况下外部电阻不匹配，CMR可能会降至59 dB。对于典型精度提供小于 2% 的最大总误差的设备来说，这是对性能的重大打击。

因此，在引入具有电流检测架构的输入滤波器时必须小心。当内阻为 10 kohm 或更小时，使用小于 5 欧姆的滤波电阻。这将确保电流检测放大器保持较高的原始精度。如上所示，差动放大器可以使用更宽范围的输入滤波电阻值，因为高值输入电阻不太容易受到外部失配的影响。

过驱动输入：在高端电流检测应用中，设计人员必须仔细考虑可能导致放大器在其规定范围之外工作的潜在事件。在典型使用中，放大器的输入相差只有几百毫伏，这是由负载电流流过分流电阻引起的，但该器件能否承受输入端出现几伏电压的故障条件？在这种情况下，差动放大器架构本质上更加稳健，一旦系统恢复正常，就更有可能继续按预期工作。输入电阻网络可以简单地将电流源向地提供;在65 V电压下，AD8206每路输入200 Kohm，将有325 μA电流流向地。

如果使用电流检测架构，设计人员必须关注此类潜在问题。在第一个例子中，像AD8210这样的器件将无法承受输入端的较大电压摆幅。此类器件通常在输入之间包括一个ESD保护二极管。该二极管正向偏置的电压差大于约0.7 V。该二极管的实际断点各不相同，但大差分电压（例如汽车电池提供的差分电压）通常会导致由于电气过应力而损坏器件。

负电压保护：在许多情况下，有必要保护电流传感器免受电池电压反接的影响，尤其是在汽车应用中。差动放大器的电阻桥输入可能是一个重要的生存因素。但是，设计人员必须检查器件的绝对额定值，以确保输入ESD二极管也设计为导通，但仅在大负电压下导通。

然而，在这种情况下，电流检测架构并不是最佳的，因为输入放大器及其相应的输入晶体管将直接连接到大负电压。由于输入不应承受较大的负直流电压，因此电流检测放大器的输入ESD二极管通常设计为在输入电压范围的指定低端之外导通。

然而，除了负直流电压外，这种电流监视器还可能受到负输入瞬变的影响。这在PWM系统中通常就是这种情况，当控制FET打开和关闭时，分流监视器的输入共模电压从地摆动到电池。同样，必须仔细考虑绝对最大额定值，这主要由器件的输入ESD二极管决定。和以前一样，差动放大器受到高输入电阻的保护，基本上不受负瞬变的影响;因此，ESD二极管通常设计为在大负电压下箝位。但是，当使用电流检测架构时，即使是非常短的持续时间的负瞬变也会使输入ESD保护跳闸，该保护设计用于在接近器件输入共模额定值的电压下导通。虽然此类脉冲通常不会携带足够的能量来损坏AD8210的ESD单元，但这方面的性能因器件而异。为确保不会出现并发症，应在实际系统中测试此参数。

输入偏置电流：在电源管理很重要且必须考虑小泄漏的应用中，两种架构的不同输入结构要求考虑输入偏置电流。例如，在电池电流检测系统中，两种架构都将监控高端电流。但是，当系统关闭且电流监视器的电源关闭时，当输入仍连接到电池时，差动放大器（如AD8206）的阻性输入网络中固有的接地路径将需要偏置电流，该偏置电流继续从电池漏电流。另一方面，采用电流检测架构的器件具有非常高的输入共模阻抗（AD5为>8210 Mohm），不会耗尽电池电流，因为几乎没有电流会通过其输入流向地。

结论

高端电流检测是汽车、电信、消费电子和工业应用中的普遍要求。现在市场上提供集成的高压差分和电流检测放大器来执行此功能。根据应用中的精度和生存要求，系统工程师需要仔细研究哪种类型的电流传感器最适合其系统。下表总结了典型的注意事项。

两种类型的电流监视器都可以完成这项工作，但它们不同架构提供的优势伴随着不同的权衡。对于瞬时电流监控，电流检测放大器的宽带宽最为合适，而差动放大器拓扑可以轻松满足监控平均电流的应用。此外，对电流消耗敏感的电源管理应用受益于具有最小输入断电偏置电流消耗的电流检测放大器。然而，在实施外部滤波器时，高端电流检测放大器的输入结构可能会限制性能，需要仔细检查，以确保在恶劣的应用环境中不超过其绝对输入额定值。

 

特征	电流检测放大器	差动放大器
速度是监控的理想选择...	瞬时电流	平均电流
输入 CMR （直流）	>100分贝	约 80 分贝
输入 CMR （PWM）	约 80 分贝	约 80 分贝
“关断”输入偏置电流消耗	非常低	输入电阻分压器连续漏电流
外部滤波	主要是“帖子”	“前”或“后”
输入应力敏感性	外部压力需要仔细考虑	通常坚固耐用

 

审核编辑：郭婷