深入解析 ZXCT1107/1109/1110 低功耗高端电流监测器

在电子设计领域，准确监测电流是一项至关重要的任务。Diodes Incorporated 的 ZETEX ZXCT1107/1109/1110 系列低功耗高端电流监测器，凭借其独特的特性和广泛的应用场景，成为了工程师们的理想选择。本文将深入剖析这一系列电流监测器，为电子工程师们提供全面的技术参考。

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产品概述

ZXCT1107/1109/1110 是高端单极性电流感应监测器，其最大的优势在于在感应负载电流时无需破坏接地平面。该系列产品具有宽共模输入电压范围和低静态电流，采用 SOT23 封装，适用于多种应用场景，如适配器、汽车以及工业 24V 轨供电的系统。而且，该设备由线路供电，无需单独的电源轨，静态电流仅为 3µA，可将电流感应误差降至最低。此外，通过一个外部增益设置电阻，还能实现广泛的增益范围，增加了产品的通用性。

产品特性

宽电压范围

该系列产品的电源和共模电压范围为 2.5V 至 36V，能够适应不同的电源环境。其中，ZXCT1107 和 ZXCT1109 采用 3 引脚 SOT23 封装，ZXCT1110 采用 5 引脚 SOT25 封装。

低静态电流

静态电流仅为 3µA，有效降低了功耗，减少了电流感应误差。

宽温度范围

工作温度范围为 -40°C 至 125°C，能够适应各种恶劣的工业环境。

汽车级认证

部分型号具有 AEC - Q100 Grade1 汽车级认证，可用于汽车电子领域。

引脚分配与描述

引脚分配

不同型号的引脚分配有所不同。ZXCT1107 和 ZXCT1109 为 3 引脚 SOT23 封装，ZXCT1110 为 5 引脚 SOT25 封装。具体引脚分配如下：	型号	OUT	S+	S-	GND	NC
ZXCT1107	1	3	2	-	-
ZXCT1109	1	2	3	-	-
ZXCT1110	3	4	5	2	1

引脚描述

• OUT：输出引脚，为电流输出。
• S+：电流监测器的正输入，具有宽共模输入范围，同时作为模拟电源为内部电路供电，该引脚的电流随差分感应电压变化。
• S-：电流监测器的负输入，具有宽共模输入范围。
• GND：接地引脚和衬底连接（仅 ZXCT1110 有）。
• NC：无连接（仅 ZXCT1110 有）。

需要注意的是，对于 ZXCT1107 和 ZXCT1109，引脚 1（OUT）既作为输出引脚又作为衬底连接，因此其最小轨电压为 2.5V + VOUT。

电气特性

绝对最大额定值

该系列产品的绝对最大额定值包括电压、电流、温度等参数。例如，S - 和 S + 相对于 OUT（ZXCT1107/9）的电压范围为 -0.3V 至 40V，S - 和 S + 相对于 GND（ZXCT1110）的电压范围为 -0.3V 至 40V 等。在设计时，必须确保设备的工作条件不超过这些额定值，否则可能导致设备故障或降低可靠性。

推荐工作条件

推荐工作条件包括共模输入范围、差分感应输入电压范围、输出电压范围和环境温度范围等。例如，ZXCT1110 的共模输入范围为 2.5V 至 36V，差分感应输入电压范围为 0V 至 0.5V 等。

电气参数

在不同的工作条件下，该系列产品的电气参数会有所变化。例如，在 (T{A}=25^{circ} C)，(V{S{+}}=20 ~V)，(V{SENSE }^{}=100 mV)，(R{GAIN }=0) 的条件下，ZXCT1107 和 ZXCT1109 的 S - 输入电流在 (V{SENSE } = 0V) 时，典型值为 19nA；ZXCT1110 的 GND 引脚电流在 (V_{SENSE } = 0V) 时，典型值为 3µA。

典型特性

输入电流与温度、电压的关系

通过典型特性曲线可以看出，输入电流与环境温度和 (V{S+}) 电压有关。例如，随着环境温度的升高，输入电流会发生变化；在不同的 (V{S+}) 电压下，输入电流也会有所不同。

输出电流与温度、电压、感应电压的关系

输出电流与环境温度、输出电压和感应电压密切相关。例如，在不同的感应电压下，输出电流会随着温度的变化而变化；在相同的感应电压下，输出电流也会随着输出电压的变化而变化。

典型交流特性

脉冲响应

通过测试电路可以得到小信号脉冲响应和大信号脉冲响应曲线。这些曲线可以帮助工程师了解设备在不同信号输入下的响应特性，从而优化电路设计。

共模抑制比（CMRR）

共模抑制比是衡量设备抑制共模信号能力的重要指标。通过测试电路可以得到 CMRR 曲线，该曲线显示了设备在不同频率下的共模抑制能力。

小信号带宽

小信号带宽是指设备在小信号输入下的频率响应范围。通过测试电路可以得到小信号带宽曲线，该曲线显示了设备在不同频率下的增益特性。

应用信息

应用电路拓扑

ZXCT1107、ZXCT1109 和 ZXCT1110 都采用类似的高端电流感应应用电路拓扑，但存在一些小差异。ZXCT1110 有单独的接地引脚，而 ZXCT1107 和 ZXCT1109 没有。使用 ZXCT1110 可以在某些应用中通过降低输出失调电流来减少绝对电流测量误差。ZXCT1107 提供了与 ZXCT1109 镜像的引脚分配，便于在非常小的设备设计中进行 PCB 布局。

电阻值计算

在选择 (R{SENSE}) 时，需要选择合适的感应电压，这通常需要在功率效率和给定温度范围内的精度之间进行权衡。(R{SENSE}) 必须足够小，以避免电源和负载之间出现过大的电压降；同时，又必须足够大，以避免过大的电流测量误差，特别是随机误差。 根据公式 (R{SENSE }=frac{V{SENSET }}{I{LOADT }}) 可以计算出 (R{SENSE}) 的值，其中 (V{SENSET }) 为选定的感应电压阈值，(I{LOADT }) 为选定的阈值负载电流。 (R{GAIN}) 用于将设备输出电流转换为电压，以便由其他设备（如比较器、放大器或微控制器系统中的模数转换器）进行处理。根据公式 (R{GAIN }=frac{V{OUTT }}{I{OUT }}) 可以计算出 (R{GAIN}) 的值，其中 (V{OUTT }) 为所需的阈值输出电压，(I_{OUT }) 为阈值输出电流。

设计示例

以一个需要在 12V 电源的负载电流为 2A 时提供 2V ±6% 输出电压的电流监测器为例。由于电阻的公差为 1%，(R{SENSE}) 和 (R{GAIN}) 总共可能贡献 2% 的误差，因此 ZXCT11xx 的误差不能超过 4%。从表中可知，当感应电压为 100mV 时，ZXCT1107/1109 的误差为 3.4%，满足总误差要求。 根据公式计算可得 (R{SENSE}=100 mV / 2 A=50 m Omega)，(R{GAIN }=frac{2}{0.004 0.1}=5 k Omega)，选择合适的优选值为 5.1kΩ。 若使用 ZXCT1110，根据公式 (V{SENSE }=frac{0.082}{varepsilon-1.8})（(varepsilon = 4%)）可得 (V{SENSE }=37.2 mV)，则 (R_{SENSE}=37.2 mV / 2 A=18.6 m Omega)，选择合适的优选值为 20mΩ，此时感应电压为 (2 ~A 20 ~m Omega=40 mV)，(R_{GAIN }=frac{2}{0.004 * 0.04}=12500 Omega)，选择合适的优选值为 13kΩ。

保护与滤波

在负载短路或过载的情况下，感应端子之间可能会出现较大比例的电源电压。为了保护电流监测器，可使用电阻 (R{PROT}) 限制电流，避免引入显著的电流测量误差。 此外，在许多应用中，电路需要在存在 RF 辐射的环境下工作。为了减少 RF 辐射对电路的影响，可使用低通滤波器（(R{PROT}) 和 C1）在 VHF 和 UHF 区域提供显著的衰减。C1 的值建议在 10pF 至 47pF 之间，采用无引线陶瓷类型。

PCB 布局考虑

在 PCB 布局时，需要考虑 PCB 铜箔和焊锡连接处到 (R_{SENSE}) 的小电压降。这种电压降在电流达到 1A 及以上时可能会产生明显的误差。因此，PCB 设计应确保通过感应电阻的铜箔承载电流最大，并且 S + 和 S - 引脚的走线应仅连接到电阻焊盘，以最小化铜箔的影响。如果使用电容 C1，应将其放置在靠近输入引脚 S + 和 S - 的位置。

高压电流监测应用

该系列产品可用于高压应用，如 TV LED 背光系统。在这种应用中，通过 PNP 晶体管 Q1 降低大部分电源电压，二极管 D2 限制过载条件下的差分输入电压，齐纳二极管 D1 限制 U1 两端的电压，D2 限制 U1 的输出电流。

订购信息

该系列产品提供不同的封装和包装形式，如 ZXCT1107SA - 7 采用 SOT23 封装，7” 卷轴，每卷 3000 个；ZXCT1109SA - 7 采用 SOT23 封装，7” 卷轴，每卷 3000 个；ZXCT1110W5 - 7 采用 SOT25 封装，7” 卷轴，每卷 3000 个。

总结

ZXCT1107/1109/1110 系列低功耗高端电流监测器具有宽电压范围、低静态电流、宽温度范围等优点，适用于多种应用场景。在设计应用电路时，需要根据具体需求选择合适的型号和电阻值，并注意保护、滤波和 PCB 布局等方面的问题。希望本文能为电子工程师们在使用该系列产品时提供有益的参考。你在使用这些电流监测器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。