高端电流检测模拟电路的新型放大器设计

在模拟电路设计中，最常见的任务之一便是电流测量。电流检测电路常常位于电源和电池使用寿命管理、偏置电流控制、负载监视、熔断器监视、故障保险电路和仪表的核心部分。各种约束条件、要求以及应用范围的不断扩大始终在推动着电流检测技术发展水平的提高。本文将说明高端电流检测的优势，并重点介绍面向该应用的新型放大器。

在高端进行测量

在理想的电路中，电流的测量是在不中断电流通路的情况下进行的。例如，可采用一个电磁式拾波器来检测电流，只可惜磁性传感器的准确度欠佳。因此，电流检测电路通常在电流通路中布设一个电阻器，并采用一个放大器来测量该电阻器两端的电压降。

图1 采用一个精准差分放大器的高端电流检测

此项工作看似微不足道，可等到您考虑电流检测电阻器的布设位置时就会恍然大悟，实际情况原来并非如此！按照接地回线来布设电阻器（被称为“低端电流检测”）会带来不少难题。举例来说，负载将不再具有一个可靠的接地线路;当电流发生变化时，您的电路的“相对地”将随之改变。一个变动的“地”会使用于充电或电源管理电路的信号产生误差。另外，为了准确地测量电流，您必须完全隔离并容纳流经检测电阻器的全部电流。所有曾和接地环路打过交道的人都知道这会是一件困难的事情。

为了消除低端电流检测的问题，可把电流检测电阻器置于电源和负载之间，这就是所谓的高端电流检测。高端电流检测必须辨别加在一个高共模电压之上的小检测电压。

简单易行的方法

用于高端电流检测的一项技术是：首先对电流检测信号进行衰减，然后采用一个差分放大器来提取并放大差分电压。如图1所示，可在放大器上采用一个简单的电阻分压器。该电路需要超卓的电阻器匹配性能和一个具有高共模输入电压及上佳共模抑制（CMRR）的差分放大器。凌特公司的LT1991差分放大器提供了此类电路的一个出色的实例，其内置电阻器的匹配精度在0.01% 以内。除了低失调、失调漂移和输入偏置之外，LT1991还能够接受高达60V的输入电压，并具有一个75dB的CMRR指标。

专用电流检测放大器

尽管高共模电压所提供的准确度有可能让人无法接受，但是，采用一个具有精确匹配电阻器的精准差分放大器还是能够起到上佳的作用。假设采用一个具有1mV固定失调电压的放大器来测量一个检测电阻器两端的100mV电压。这将转化成一个1% 的准确度。现在，如果在一个必须被衰减10倍的高共模电压条件下对该100mV电压进行测量，则100mV信号到达放大器输入端时将是10mV。此时，准确度下降至原先的10%。电阻器匹配误差和共模抑制误差（CMRR）还将使准确度进一步下降。

对于高电压、高端测量而言，专用高端电流检测放大器是一种更好的选择，因为它们是专为能够以超群的精度在高共模电压条件下运作而设计的。这些放大器拥有众多的功能，旨在满足各种应用的需要。

图2 LTC6101HV可容易地与一个ADC相连

图3 通过引脚搭接来选择增益，无需使用外部元件

作为通用型高端电流检测放大器（此时，外形尺寸和设计灵活性是很重要的指标），不妨考虑采用凌特公司的LT6100。这款高端电流检测放大器包括一个输出缓冲器以及用于设定6种增益配置和0.5% 增益准确度的内部电阻器，所有这些部件均集成于一个占板面积为9mm2的封装之中。LT6100的输入是一个具有300μV低失调电压并能够接受高达48V的全差分电压坚固型差分放大器。因此，该器件可监视一个熔断器或MOSFET（而无需顾及开路），并能承受一个-48V的反向输入条件。提供了一个单独的2.7V至36V的电源输入，且器件仅需消耗60μA的电流。当断电时，输入引脚变为高阻抗状态，从而阻止了电流吸收。输入电路能够承受大差分电压并在断电时使其自身基本断接，这使得该器件非常适合在某些故障条件下使用。在有些场合中，人们或许更希望采用一款能够启动故障快速响应的高速高端放大器。

系统中的电感性元件会对系统造成严重的破坏，并引发很大的共模波动。如果您希望保护自己的设备免遭负载故障或高电压反激条件的损坏，则对有可能产生的电压以及避免系统受损所需的速度进行评定是很重要的。对于高达105V的峰值电压，凌特公司的LTC6101能够对整个故障过程进行连续监视。该器件的响应时间为1μs，还能够启动一个快速停机操作。

对于高端电流检测而言，另一个有价值的特征是具备双向操作能力。例如：一个具有充电和放电电流的电池式设备就有可能需要进行双向电流检测。实现该目标的方法之一是把两个单向器件（比如：LTC6101和LT6100）组合起来使用。另一种可选方案是采用凌特的LT1787高性能双向电流检测放大器。LT1787加上一个外部检测电阻器可提供一种用于实现准确、双向电流检测的简易、紧凑型解决方案。即使在采用低值、低插入损耗检测电阻器的情况下，也能够实现高于1/10000的电流分辨率。LT1787的技术规格是专为在2.5V至60V的电源电压条件下使用而拟订的，只需要60μA（最大值）的电源电流。

应用

具有16位分辨率的低功耗电流监视器

凌特公司的LTC6101的速度和准确度使其非常适合直接与一个ADC（比如凌特的16位ΔΣ型模拟数字转换器LTC2433）相连。LTC6101是一款独特的电流检测放大器，可通过放大器的输入和输出电阻器来提供控制。这些电阻器是影响增益准确度的主要因素，因此，采用1% 精度的电阻器可使您轻松实现优于0.2% 的增益准确度。此外，用户还能够灵活地设定增益和输出阻抗，以优化ADC接口。该解决方案采用了纤巧的表面贴装型元件和两个外部电阻器，因而具有很高的空间和功率利用率。这款电路的典型功耗低于500mA。

图4 施加偏压可使输出在采用单工作电源时指示电流的方向

具有12kHz滚降频率的0A~33A、高端电流监视器

LT6100最简单、最实用的应用之一是作为一个大动态范围电流监视器。由于它的失调电压仅为300μV，因此，采用一个3mΩ分流电阻器就能够提供100mA的分辨率和一个33A的全标度范围。在这款电路中，该器件采用一个单3V电源。当断电时，LT6100输入与系统基本“断接”，因为它一般仅吸收1nA的输入电流。在滤波器输入引脚FIL上连接一个220pF电容器可提供一个12kHz差分噪声滚降频率，而且，通过引脚A4和A2来配置内部电阻器可选择一个25V/V的增益。

一个单电源上的充电/放电电流监视器

通过允许直接使用凌特公司的LT1787的输出电阻器，可给该双向器件的输出施加期望中间点的偏置电压。在本例中，采用一个外部电压基准来给输出施加偏压（针对单电源操作）。输入信号能够摆动至偏置电压以上和以下，以指示流经检测电阻器的正电流或负电流。本例中，该电路可在采用一个低至3.1V的电源电压时正常运作。

结语

不管您正在设计的电路是用于工业、汽车、军事还是通信系统，单片式电流检测放大器都能够在一个小型封装之内提供众多的功能。利用单个高端电流检测放大器可使电流的监视和控制得以极大的简化。由于电流检测具有许多独特的应用，因此凌特公司开发了大量的电流检测电路。其中，本指南介绍了用于高端和低端电流检测、单向和双向电流检测以及高电流和低电流检测的电路，并概要阐述了PCB电流检测电阻器的设计。