SGM8199L双向电流分流监测器：特性、应用与设计要点

引言

在电子电路设计中，准确监测电流是至关重要的。SGM8199L系列作为一款电压输出的双向电流分流监测器，为工程师们提供了一种可靠的解决方案。本文将详细介绍SGM8199L的特性、应用场景以及设计过程中的关键要点。

文件下载：SGM8199L.pdf

一、SGM8199L概述

SGM8199L系列是专门设计用于在共模电压范围内感测分流器上的电压降，且不受电源电压影响的双向电流分流监测器。它具有以下显著特点：

1. 宽共模电压范围：能在 -0.1V 至 26V 的宽共模电压范围内工作，这使得它在不同的电源环境下都能稳定地进行电流监测。
2. 低失调电压：SGM8199L1 的最大失调电压为 350μV（VCM = 12V 时），SGM8199L2 为 330μV（VCM = 12V 时），这允许在感测电流时，分流器上的满量程最大压降仅为 10mV。
3. 固定增益选择：提供 50V/V 和 100V/V 两种固定增益，方便工程师根据实际需求进行选择。
4. 低静态电流：仅消耗 85μA 的静态电流，有助于降低系统功耗。
5. 宽温度范围：可在 -40℃ 至 +125℃ 的温度范围内正常工作，适用于各种恶劣环境。
6. 多种封装形式：提供 Green SC70 - 6 和 UTQFN - 1.8×1.4 - 10L 两种封装，满足不同的应用需求。

二、应用场景

SGM8199L 具有广泛的应用场景，包括但不限于以下几个方面：

1. 便携式设备：如笔记本电脑、手机等，可用于监测电池充电和放电电流，实现精确的电源管理。
2. 电信设备：在电信设备中，可用于监测电源模块的电流，确保设备的稳定运行。
3. 电源管理系统：对电源的输入和输出电流进行监测，优化电源效率。
4. 充电系统：在电池充电过程中，实时监测充电电流，保障充电安全和效率。
5. 焊接设备：监测焊接电流，确保焊接质量和设备安全。

三、关键特性分析

1. 输入特性

• 输入失调电压：SGM8199L1 和 SGM8199L2 在不同的共模电压和温度条件下，输入失调电压有所不同。在 VCM = -0.1V 至 2V 且 VSENSE = 0mV 时，SGM8199L1 的输入失调电压为 150 - 720μV，SGM8199L2 为 70 - 700μV；在 VCM = 2V 至 26V 且 VSENSE = 0mV 时，SGM8199L1 为 150 - 350μV，SGM8199L2 为 80 - 330μV。输入失调电压的漂移为 1μV/℃。
• 输入偏置电流：在 VSENSE = 0mV 且温度为 +25℃ 时，输入偏置电流为 16μA，输入失调电流为 35nA。
• 输入共模电压范围：共模电压范围为 -0.1V 至 26V，这使得它能够适应不同的电源环境。
• 共模抑制比（CMRR）：在不同的共模电压和温度条件下，CMRR 有所不同。例如，在 VCM = -0.1V 至 26V 且 VSENSE = 0mV 时，SGM8199L1 的 CMRR 为 85 - 104dB，SGM8199L2 为 90 - 110dB。

2. 输出特性

• 增益：SGM8199L1 的增益为 50V/V，SGM8199L2 的增益为 100V/V。
• 增益误差：在 VSENSE = -5mV 至 5mV 的范围内，SGM8199L1 和 SGM8199L2 的增益误差最大均为 ±0.4%。
• 增益温度系数：增益温度系数为 10ppm/℃，确保在不同温度下增益的稳定性。
• 非线性误差：在 VSENSE = -5mV 至 5mV 且温度为 +25℃ 时，非线性误差为 0.01%。
• 最大容性负载：在 +25℃ 时，最大容性负载为 1nF，以保证输出的稳定性。
• 输出电压摆幅：在 VCC = 26V 且 RL = 10kΩ 至 VCC/2 的条件下，输出高电平 VOH 为 140 - 380mV，输出低电平 VOL 为 85 - 300mV。

3. 动态性能

• -3dB 带宽：在 VCC = 5V、RL = 10kΩ 且 CL = 10pF 的条件下，SGM8199L1 的 -3dB 带宽为 74kHz，SGM8199L2 为 68kHz。
• 压摆率（SR）：在不同的输出电压和负载条件下，压摆率有所不同。例如，在 f = 1kHz、RL = 10kΩ 且 VOUT = 1VP - P 时，SGM8199L1 的压摆率为 0.15V/μs，SGM8199L2 为 0.12V/μs。
• 噪声：在 f = 1kHz 且温度为 +25℃ 时，SGM8199L1 的电压噪声密度为 50nV/√Hz，SGM8199L2 为 35nV/√Hz。

4. 电源特性

• 工作电压范围：工作电压范围为 2.7V 至 26V，适应不同的电源供电。
• 静态电流：在 VCC = 26V 且 VSENSE = 0mV 时，静态电流典型值为 85μA，最大值为 120μA，在全温度范围内最大值为 130μA。
• 电源抑制比（PSRR）：在 VCC = 2.7V 至 26V 且 VSENSE = 0mV 且温度为 +25℃ 时，PSRR 为 105dB。

四、设计要点

1. 推荐连接方式

• 分流电阻应尽可能靠近电流分流监测器的两个输入引脚，以减少与被测分流电阻串联的额外电阻。
• 旁路电容对于提高电流分流监测器的稳定性是必要的。在大多数应用中，电源存在噪声，会影响 SGM8199L 的工作，因此需要使用旁路电容。
• 在 UTQFN - 1.8×1.4 - 10L 封装中，每个输入提供两个引脚，应将它们连接在一起（即 IN + 连接到 IN +，IN - 连接到 IN -）。

2. 电源设计

SGM8199L 能够在共模电压超过 VCC 引脚电源电压的情况下准确测量电流。例如，VCC 电源可以为 5V，而负载或共模电源电压允许达到 26V。但输出电压范围受电源电平的限制。

3. 分流电阻的选择

SGM8199L 的电流分流监测器在典型的差分输入范围内，能够以 10mV 的量级准确工作。分流电阻 RSHUNT 的选择取决于 SGM8199L 系列的应用。用户需要在电压损失和小输入信号的准确性之间进行权衡。使用高值的 RSHUNT 可以最小化失调的影响，而使用低值的 RSHUNT 可以最小化电压损失。对于大多数应用，RSHUNT 上的 60mV 电压降是选择 RSHUNT 的合适范围，此时对应的失调电压仅为 350μV。

4. 单向和双向应用

• 单向应用：在单向操作中，SGM8199L 的电流测量方向是固定的。通常，将 REF 引脚直接连接到 GND 引脚，以确保输出偏置在 0V。如果用户希望高精度地测量低输入电压，将 REF 引脚偏置到 300mV 是将电流分流监测器设置到其线性区域的好方法。在极少数情况下，REF 引脚可以直接连接到电源引脚以测量负电流，此时输入电压为 0mV 时，输出电压等于电源电压。
• 双向应用：双向应用表示 SGM8199L 的电流分流监测器可以测量两个不同方向的电流。对于这种特殊情况，REF 引脚可以设置在 0V 到 VCC 之间的任何位置，以偏置输出电压。为了简化，建议 VREF = VCC/2 是一个典型的电压点。但是，如果正、负电流的绝对值不相等，则应将 REF 引脚的电压设置为 VCC/2 以外的值。

5. 输入滤波

不建议在 SGM8199L 的输出端添加滤波器，因为这样会增加内部缓冲器输出端的阻抗。在输入引脚进行滤波是一个不错的选择，但需要考虑输入阻抗的变化。为了最小化误差并提高结果的准确性，外部电阻 RS 的电阻值应小于 10Ω。

6. 关闭 SGM8199L

SGM8199L 内部没有关机控制，因此关闭电源静态电流的唯一方法是使用外部逻辑门或晶体管开关。

7. REF 输入的输入阻抗

REF 引脚的输入阻抗会影响共模抑制比（CMRR），但如果 REF 引脚由电源驱动，则用户无需担心。如果 REF 引脚由电阻分压器驱动，则应使用运算放大器进行缓冲，以提供低输入阻抗。如果输出可以进行差分测量，例如使用差分模数转换器，则用户无需关心 REF 引脚添加的外部阻抗及其影响。

8. 共模瞬态高于 26V 时的处理

SGM8199L 可以由上电瞬态高于 26V 的电源供电，特别是在汽车行业的应用中。在这种情况下，可以使用齐纳二极管或齐纳型瞬态吸收器（Transzorbs）来防止电流分流监测器在电源上电瞬态期间过压。不建议使用除 Transzorbs 以外的瞬态吸收器，因为存在明显的时间延迟。任何齐纳二极管都需要额外的工作电阻来提供工作电流，因此选择 10Ω 的电阻（任何大的外部电阻都会影响增益）。在大多数应用中，10Ω 的电阻和最低功率额定值的齐纳二极管足以处理短期瞬态。如果低功率齐纳二极管无法保护电流分流监测器免受电源瞬态的影响，则必须考虑使用高功率的 Transzorb。

五、总结

SGM8199L 作为一款高性能的双向电流分流监测器，具有宽共模电压范围、低失调电压、低静态电流等优点，适用于多种应用场景。在设计过程中，工程师需要根据具体的应用需求，合理选择分流电阻、设置 REF 引脚电压、进行输入滤波等，以确保 SGM8199L 能够稳定、准确地工作。同时，对于共模瞬态高于 26V 的情况，需要采取适当的保护措施。希望本文能为电子工程师在使用 SGM8199L 进行电路设计时提供有价值的参考。你在实际应用中是否遇到过类似的电流监测问题？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验。