寬動態範圍的高端電流檢測的三種解決方案(1)

2020-12-05 電子發燒友

寬動態範圍的高端電流檢測的三種解決方案（1）

佚名 發表於 2017-02-10 07:40:00

在電機控制、電磁閥控制、通信基礎設施和電源管理等諸多應 用中，電流檢測是精密閉環控制所必需的關鍵功能。如何設計寬動態範圍的高端電流檢測電路，這對於大多數工程師來說都具有挑戰性，這裡分享由ADI技術專家Neil Zhao、Wenshuai Liao 和Henri Sino提供的幾個建議電路供大家參考。

將按照設計複雜度從高到低的順序介紹三種可選解決方案，它們能針對各種不同的應用提供可行的高精度、高解析度電流檢測。

1. 使用運算放大器、電阻和齊納二極體等分立器件來構建電流傳感器。這種解決方案以零漂移放大器AD8628 為核心器件。

2. 使用AD8210 等高壓雙向分流監控器來提高集成度，並利用其它外部器件來擴展動態範圍和精度。

3. 採用針對應用而優化的器件， 例如最新推出的AD8217。AD8217 是一款易於使用且高度集成的零漂移電流傳感器，輸入共模電壓範圍為4.5 V 至80 V。

解決方案一：配置一個標準運算放大器進行高端電流檢測

圖1 所示為一個採用AD8628 的基於運算放大器的分立解決方案。採用其它運算放大器時同一設置也有效，但必須儘可能具有下列特性：低輸入失調電壓、低失調電壓漂移、低輸入偏置電流和軌到軌輸入輸出擺幅能力。推薦的其它放大器包括AD8538、AD8571 和AD8551。

圖1. 使用運算放大器的分立式大電流檢測解決方案。

此電路監控高端電流I。放大器通過齊納二極體打開偏置，本例中其額定值為5.1 V。二極體的使用確保放大器能夠在高共模電平下安全地工作，並且其電源電壓穩定在容許的電源限值以內，同時MOSFET 將其輸出轉換為電流，進而由電阻RL 轉換為以地為參考的電壓。這樣，輸出電壓就能饋送至轉換器、模擬處理器和其它以地為參考的器件（如運算放大器或比較器），以便做進一步的信號調理。

在此配置中，RG 上的電壓與RSHUNT 上的電壓相等，因為通過MOSFET 的反饋會使運算放大器的兩個高阻抗輸入端保持相同的電壓。經過RG 的電流流過FET 和RL，產生VOUTPUT。流過分流電阻的電流I 與VOUTPUT 的關係可通過公式1 表示：

RSHUNT 選擇：RSHUNT 的最大值由最大電流時的容許功耗決定，而最小值由運算放大器的輸入範圍和誤差預算決定。一般情況下，為了監控10 A 以上的電流，RSHUNT 的值在1 mΩ 至10 mΩ之間。如果單個電阻無法滿足功耗要求，或者對PCB 而言太大，則RSHUNT 可能必須由多個電阻並聯構成。

RG 選擇：RG 用於將與高端電流成比例的電流轉換到低端。RG的最大值由P 溝道MOSFET 的漏極-源極漏電流決定。假設使用常見的P 溝道增強型垂直DMOS 電晶體BSS84，那麼各種條件下的IDSS 最大值如表1 所示。

表1. 漏極-源極漏電流

RG 的最小值由最大負載電流時的容許鏡像電流功耗決定：

RBIAS 選擇：通過RBIAS 的電流經過分流產生運算放大器的靜態電流和基本恆定的齊納二極體電壓VZ（它決定運算放大器的電源電壓）。當放大器電流ISUPPLY 實際上為0 且VIN 為最大值時，應確保流過齊納二極體的電流不超過其最大調節電流IZ_MAX：

當ISUPPLY 為最大值且VIN 為最小值時，為確保二極體電壓穩定，流過其中的電流應大於其最大工作電流IZ_MIN：

齊納二極體和RBIAS 是這一解決方案的關鍵器件，因為它們消除了後續電路的高共模電壓，支持使用低壓精密運算放大器。為使電壓保持最高穩定性，齊納二極體應具有低動態電阻和低溫度漂移特性。

R1 選擇：R1 用於在輸入瞬變超過運算放大器的電源電壓時限制放大器輸入電流。建議使用10 kΩ 電阻。

所選運算放大器的失調電壓VOS 和失調電流IOS 是非常重要的指標，特別是在分流電阻值和負載電流很低的情況下。VOS + IOS× R1 必須小於IMIN × RSHUNT，否則放大器可能會飽和。因此，為獲得最佳性能，最好使用具有零交越失真的軌到軌輸入放大器。

對於這種分立解決方案，另一個需要考慮的問題是溫度漂移。即使採用零漂移放大器，也非常難以優化，或者需要付出高昂代價才能優化下列分立器件所引起的漂移：齊納二極體、MOSFET 和電阻。從表1 可知，當VGS = 0 V 且VDS = –50 V 時，隨著工作溫度從25°C變為125°C，MOSFET的IDSS最大值從–10μA 變為–60 μA。此漂移會降低系統在整個溫度範圍內的精度，特別是當受監控的電流很低時。齊納二極體的漂移特性會影響放大器電源的穩定性，因此所用放大器應當具有高電源抑制(PSR)性能。

此外，設計人員必須意識到這一解決方案的功效很低，因為RBIAS 消耗了大量功率。例如，如果總線共模電壓為28 V，齊納二極體輸出電壓為5.1 V 且RBIAS 為1000 Ω 電阻，那麼該電路的無用功耗將超過0.52 W。這會增加功耗預算，設計時必須考慮這一點。

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