宽动态范围的高端电流检测的三种解决方案(3）

在电机控制、电磁阀控制、通信基础设施和电源管理等诸多应 用中，电流检测是精密闭环控制所必需的关键功能。如何设计宽动态范围的高端电流检测电路，这对于大多数工程师来说都具有挑战性，这里分享由ADI技术专家Neil Zhao、Wenshuai Liao 和Henri Sino提供的几个建议电路供大家参考。

将按照设计复杂度从高到低的顺序介绍三种可选解决方案，它们能针对各种不同的应用提供可行的高精度、高分辨率电流检测。

1. 使用运算放大器、电阻和齐纳二极管等分立器件来构建电流传感器。这种解决方案以零漂移放大器AD8628 为核心器件。
2. 使用AD8210 等高压双向分流监控器来提高集成度，并利用其它外部器件来扩展动态范围和精度。
3. 采用针对应用而优化的器件， 例如最新推出的AD8217。AD8217 是一款易于使用且高度集成的零漂移电流传感器，输入共模电压范围为4.5 V 至80 V。

解决方案三：利用零漂移AD8217 进行高端电流监控

ADI 公司最近推出了一款高压电流传感器AD8217，它具有零漂移和500 kHz 带宽，专门用来增强宽温度、输入共模和差分电压范围内的分辨率和精确度。图3a 所示为该器件的简化框图；图3b 显示了一个典型应用。

图3. (a) 高分辨率、零漂移分流监控器AD8217；(b) 利用AD8217 进行高端电流检测

为了测量流过小分流电阻的极小电流，AD8217 提供最小值为20 mV 的输出范围（整个温度范围内），优于AD8210 的50 mV范围。因此，如果分流电阻上受监控的最小负载电流在电流传感器中产生20 mV 的最小输出（相当于1 mV 的最小输入），则用户可以选择按图3b 所示来配置AD8217。AD8217 的输出电压与输入电流之间的关系可以通过公式3 表示：

AD8217 内置一个低压差调节器(LDO)，它能为放大器提供恒压电源。该LDO 可以承受4.5 V 至80 V 的高共模电压，其功能基本上与图1 中的齐纳二极管相似。

AD8217 的工厂设定增益为20 V/V，在整个温度范围内的最大增益误差为±0.35%。整个温度范围内的初始失调额定值为±300 μV，而且温漂非常小，仅有±100 nV/°C，这些特性可以改善任何误差预算。缓冲输出电压可以直接与任何典型的模数转换器接口。当输入差分电压至少为1 mV 时，无论是否存在共模电压，AD8217 都能提供正确的输出电压。像上例一样使用10 mΩ 分流电阻时，最小电流可以低至100 mA。

单芯片解决方案避免了分立解决方案的温漂和功耗问题。

性能比较

以下部分将给出通过比较这三种不同方法所获得的测试结果。测试时通过改变输入电压和负载电阻来调整流过分流电阻的输入电流。在所示数据中，已执行初始校准来消除与电路板中所有器件相关的初始增益和失调误差。

图4 为利用图1 所示电路测得的RL 上的输出电压与流过RSHUNT 的输入电流低端值之间的线性关系图。RSHUNT 为10 mΩ；RG 为13 Ω；RBIAS 为100 Ω；R1 为10 kΩ；负载电阻为200 Ω；RL 为200 Ω；齐纳二极管输出为5.1 V；运算放大器为AD8628；MOSFET 为BSS84。最大相对误差为0.69%，而校准后的平均误差为0.21%。

图4. 采用图1 中AD8628 获得的低电流测试结果

图5 为利用图2b 所示电路测得的AD8210 输出电压与流过RSHUNT 的输入电流低端值之间的线性关系图。RSHUNT 为10 mΩ；R1 为20 kΩ；R2 为0.5 kΩ；负载电阻为200 Ω；外部基准电压缓冲器为AD8603。最大相对误差为0.03%，而校准后的平均误差为0.01%。

图5. 采用图2b 中AD8210 获得的低电流测试结果

图6 为利用图3b 所示电路测得的AD8217 输出电压与流过RSHUNT 的输入电流低端值之间的线性关系图。RSHUNT 为10 mΩ，且负载电阻为50 Ω。最大相对误差为0.088%，而线性校正后的平均误差为0.025%。

图6. 采用图3b 中AD8217 获得的低电流测试结果

注意，测试有必要集中在范围的低端，而不是涵盖50 mA 至20 A 的整个范围。原因是线性度变化主要处于范围的低输出电压（低单极性电流）部分。

此外还在–40°C、+25°C 和+85°C 下对每种解决方案进行了温度实验。表2 给出了利用+25°C 下的校正系数来校准–40°C 和+85°C 下的数据时的最大相对误差和平均误差。

表2. 不同温度下使用同一校正系数时的最大误差和平均误差

如果系统中有温度传感器可用，则可以使用不同的校正系数来校准不同温度下的数据，但这会导致器件数量增多和制造成本增加。表3 给出了在–40°C、+25°C 和+85°C 下使用不同校正系数时的最大相对误差和平均误差。

表3. 不同温度下使用不同校正系数时的最大误差和平均误差

温度实验表明，利用自稳零技术的器件可以在宽温度范围内提供高精度性能，特别是AD8217。

图7. AD8628 分立解决方案的温度实验

图8. AD8210 集成解决方案的温度实验

图9. AD8217 单芯片解决方案的温度实验

结论

测试结果表明，所有三种解决方案都能用于宽动态范围的高端电流检测：所有三种解决方案的输出都是线性的，而采用AD8217 的解决方案具有最佳的误差性能，并且不需要独立电源。此外，±100-nV/°C 的失调漂移特性使它非常适合在–40°C至+125°C 的温度范围内使用，能够在温度范围内提供最高精度性能。就系统设计而言，单芯片解决方案可以节省PCB 面积，简化PCB 布局，降低系统成本，并提高可靠性。这些特点特别适用于负载电流范围很宽且动态范围至关重要的单向电流检测应用。

根据测试结果可以得知：对于宽动态范围的单向高端电流检测和监控应用，AD8217 是三种解决方案中最合适的一种。我们还注意到，AD8210 解决方案的工作范围可以低至0 V 输入，这对检测短接至地的条件可能有利。还应注意，AD8210 能够以单芯片监控双极性电流，例如在充电/放电应用中。

在要求最佳系统性能的实际系统设计中，建议采用校准和温度检测。

关于作者

Neil Zhao是ADI公司位于中国北京的微加工产品部门的一名应用工程师。此前他是ADI 中国应用支持部门的一名现场应用工程师，在该岗位有近三年的工作经历。2008 年1 月，他毕业于北京航空航天大学，并获得通信与信息系统硕士学位。

Wenshuai Liao是ADI 公司位于中国北京的集成放大器产品(IAP)部门的一名营销工程师。他在获得清华大学光学工程硕士学位之后，曾在大唐电信集团任TD-SCDMA 节点B RF 工程师三年。他于2002 年加入ADI 公司。

Henri Sino是ADI公司位于美国马萨诸塞州威尔明顿市的集成放大器产品(IAP)部门的一名应用工程师。他从伍斯特理工学院获得电气工程学士学位(BSEE)之后即开始在ADI 公司工作，至今已有六年。在职期间，他主要致力于汽车和通信市场相关的产品和客户支持工作。