深入解析TSC101高侧电流检测放大器：特性、应用与设计要点

在电子设计中，精确的电流检测至关重要，尤其是在汽车、笔记本电脑等众多应用场景中。TSC101高侧电流检测放大器凭借其出色的性能和广泛的适用性，成为了工程师们的热门选择。下面，我们就一起来深入了解一下这款放大器。

文件下载：TSC101AILT.pdf

一、TSC101的核心特性

1. 独立的电源和输入共模电压

TSC101的输入共模电压与电源电压相互独立，这一特性允许在远高于电源电压的情况下进行高侧电流检测。其共模电压在工作条件下范围为2.8至30V，绝对最大额定条件下可达60V，为设计提供了极大的灵活性。

2. 宽电压范围

• 共模工作范围：2.8至30V的宽共模工作范围，能适应多种不同的电压环境。
• 共模生存范围：在负载突降情况下，共模生存范围为 -0.3至60V，增强了器件在复杂环境下的可靠性。
• 电源电压范围：4至24V的宽电源电压范围，使得电源可以连接到电流测量分流器的任一侧，且误差极小。

  3. 低电流消耗

  最大电流消耗 $I_{CC}$ 仅为300μA，有助于降低系统功耗，延长电池续航时间，适用于对功耗要求较高的应用场景。

  4. 内部固定增益

  提供20V/V、50V/V或100V/V三种内部固定增益选择，并且采用缓冲输出，方便用户根据具体应用需求进行灵活配置。

二、应用领域

TSC101的特性使其在多个领域都有广泛的应用：

• 汽车电流监测：在汽车电子系统中，需要精确监测各种电路的电流，TSC101的宽共模电压范围和低功耗特性使其非常适合这一应用场景。
• 笔记本电脑直流电机控制：能够准确检测电机电流，为电机的精确控制提供数据支持，提高电机的运行效率和稳定性。
• 光伏系统：在光伏系统中监测电流，有助于优化光伏电池的性能，提高能源转换效率。
• 电池充电器和精密电流源：可以精确测量充电电流，确保电池充电的安全性和高效性。

三、引脚说明与应用原理图

1. 引脚功能

符号	类型	功能
Out	模拟输出	输出电压，与检测电压 $V_p - V_m$ 的大小成正比
Gnd	电源	接地线
Vcc	电源	正电源线
VP	模拟输入	外部检测电阻的连接端，被测电流从Vp侧流入分流器
Vm	模拟输入	外部检测电阻的连接端，被测电流从Vm侧流出分流器

2. 应用原理图

其应用原理图展示了TSC101在实际电路中的连接方式，通过检测 $R_{sense}$ 电阻上的电压降，将其转换为与负载电流成正比的输出电压。

四、电气特性

1. 电源特性

总电源电流 $I{CC}$ 在 $V{sense} = 0V$ 且 $T{min} < T{amb} < T_{max}$ 时，典型值为165μA，最大值为300μA。

2. 输入特性

• 共模抑制比（CMR）：在2.8V < $V{icm}$ < 30V、$4.0V < V{CC} < 24V$、$V{sense} = 30mV$ 且 $T{min} < T{amb} < T{max}$ 条件下，典型值为90至105dB，反映了放大器抑制共模信号的能力。
• 电源电压抑制比（SVR）：同样条件下，典型值也为90至105dB，体现了放大器对电源电压变化的抑制能力。
• 输入失调电压（$V_{os}$）：在 $T{min} < T{amb} < T{max}$，$T{amb} = 25°C$ 时，范围为 ±0.2至 ±2.3mV。

  3. 输出特性

• 增益（$A_v$）：TSC101A、TSC101B、TSC101C的增益分别为20V/V、50V/V、100V/V。
• 增益精度：在不同温度条件下有所不同，如在 $T_{amb} = 25°C$ 时，典型值的增益精度误差范围在 ±2.5%至 ±5%之间。
• 输出电压漂移：在 $T{min} < T{amb} < T_{max}$ 时，典型值为0.4mV/°C。

  4. 频率响应特性

• 输出建立时间（$t_s$）：在 $V{sense}$ 从10mV变化到100mV、$C{load} = 47pF$ 条件下，TSC101A、TSC101B、TSC101C的输出建立到最终值的1%所需时间分别为3μs、6μs、10μs。
• 压摆率（SR）：在 $V_{sense}$ 从10mV变化到100mV时，典型值为0.9V/μs。
• 3dB带宽（BW）：在 $C{load} = 47pF$、$V{sense} = 100mV$ 条件下，TSC101A、TSC101B、TSC101C的3dB带宽分别为500kHz、670kHz、450kHz。

五、参数定义

1. 共模抑制比（CMR）

$CMR = -20 cdot log frac{Delta V{out}}{Delta V{icm} cdot A_v}$，用于衡量放大器抑制两个输入端子上共模电压的能力。

2. 电源电压抑制比（SVR）

$SVR = -20 cdot log frac{Delta V{out}}{Delta V{CC} cdot A_v}$，反映了放大器对电源电压变化的抑制能力。

3. 增益（$Av$）和输入失调电压（$V{os}$）

• 增益：$Av = frac{V{out}}{V_{sense}}$，表示输出电压与输入差分电压的比值。
• 输入失调电压：通过 $V{os} = V{sense1} - (frac{V{sense1} - V{sense2}}{V{out1} - V{out2}} cdot V{out1})$ 计算得出，是 $V{out}$ 与 $V_{sense}$ 曲线线性回归与X轴的交点。

4. 输出电压漂移与温度的关系

输出电压漂移定义为在温度范围内，$V{out}$ 相对于其在25°C时的值的最大变化率，计算公式为 $frac{Delta V{out}}{Delta T} = max frac{V{out}(T{amb}) - V{out}(25°C)}{T{amb} - 25°C}$。

5. 输出电压精度

输出电压精度是实际输出电压与理论输出电压的差值，理论输出电压为 $V{out-th} = A{v} cdot V{sense}$，输出电压精度百分比计算公式为 $Delta V{out} = frac{abs(V{out} - (A{v} cdot V{sense}))}{A{v} cdot V_{sense}}$。

六、应用信息与设计要点

在典型应用中，TSC101可用于测量电流并将信息反馈给微控制器。通过合理选择 $R{sense}$ 电阻和 $R{g3} / R_{g1}$ 电阻比（即增益 $A_v$），可以定义应用的满量程输出范围。因此，在设计过程中，必须仔细考虑这两个参数的选择，以确保系统的性能和精度。

七、封装与订购信息

1. 封装信息

TSC101采用SOT23 - 5L塑料封装，ST还根据环境要求提供不同等级的ECOPACK®封装。

2. 订购信息

提供多种订购代码，包括不同温度范围、封装和增益的选择，如TSC101AILT、TSC101BILT等，用户可以根据具体需求进行选择。

TSC101高侧电流检测放大器以其丰富的特性、广泛的应用领域和详细的电气参数，为电子工程师在电流检测设计中提供了可靠的解决方案。在实际应用中，我们需要根据具体的设计要求，合理选择参数和封装，以充分发挥其性能优势。大家在使用TSC101的过程中，有没有遇到过什么特别的问题呢？欢迎在评论区分享交流。