电流检测电路概念和基础

2013MicrochipTechnologyInc.DS01332B_CN第1页AN1332简介电流检测是各种电子应用中的基本要求。受益于电流检测的典型应用包括：•电池寿命指示器和充电器•过流保护和监控电路•稳流器和稳压器•直流/直流转换器•接地故障检测器•线性电源和开关电源•比例电磁阀控制，线性或PWM•医疗诊断设备•手持通信设备•汽车电源电子设备•电机速度控制和过载保护本应用笔记重点讨论电流检测电路的概念和基础。将介绍电流检测电阻和电流检测技术，并说明三种典型的上桥臂电流检测实现方案以及各自的优点和缺点。其他电流检测实现方案超出了本应用笔记的范围，将留待MicrochipTechnologyIncorporated以后的应用笔记进行介绍。电流检测电阻说明电流传感器是电流的检测和转换设备，可将电流转换为易于测量的输出电压，该电压在测量路径中与电流成正比。传感器多种多样，每种传感器都适用于特定的电流范围和环境条件。没有一种传感器适合所有应用。在这些传感器中，电流检测电阻是昀常用的。可以将其看作电流-电压转换器，原理是在电流路径中插入一个电阻，将电流以V=I×R的线性方式转换为电压。电流检测电阻的主要优点和缺点包括：a)优点：-低成本-高测量精度-可测量电流的范围从非常低到中等电流大小-能够测量直流或交流电流b)缺点：-将额外的电阻引入了测量电路路径，这可能增大源输出电阻并产生不需要的负载效应-由于功耗P=I2×R而产生功率损耗。因此，除了中低电流检测应用外，很少有大电流应用使用电流检测电阻。作者：YangZhenMicrochipTechnologyInc.电流检测电路概念和基础AN1332DS01332B_CN第2页2013MicrochipTechnologyInc.选择标准使用低值检测电阻可减少前文提到的缺点。但是，检测电阻两端的压降可能会低到与后面的模拟调理电路的输入失调电压相当，这会降低测量精度。此外，如果测量的电流含有较大的高频分量，则电流检测电阻的固有电感必须很低。否则，电感可产生电动势（ElectromotiveForce，EMF），这也会降低测量精度。此外，当要求测量精度时，电阻容差、温度系数、热电动势、额定温度和额定功率也是电流检测电阻的重要参数。简言之，电流检测电阻的选择对于设计任何种类的电流监视器都是至关重要的。以下选择标准可用作指导：1.低电阻紧容差，以在精度与功耗之间建立平衡2.高电流能力和高峰值功率额定值，以处理短时和瞬态峰值电流3.低电感，以减少由高频分量产生的电动势4.低温度系数、低热电动势和耐高温能力（如果温度变化较大）电流检测技术本节介绍两种适用于电流检测应用的基本技术：下桥臂电流检测和上桥臂电流检测。每种技术都有自己的优点和缺点，接下来的主题中将详细讨论。下桥臂电流检测如图1所示，下桥臂电流检测将检测电阻连接在负载和地之间。通常，检测到的电压信号（VSEN=ISEN×RSEN）非常小，需要经后面的运放电路（例如，同相放大器）放大才能得到可测量的输出电压（VOUT）。图1：下桥臂电流检测a)优点：-低输入共模电压-低VDD部件-接地参考的输入和输出-简单且低成本b)缺点：-接地路径干扰-系统接地增大了负载，因为RSEN向接地路径增加了不需要的电阻-意外短路引起的高负载电流变得无法检测在单电源配置中，下桥臂电流检测昀重要的方面是运放的共模输入电压范围（VCM）必须包括地。MCP6H0X运放是很好的选择，因为其VCM从VSS–0.3V到VDD–2.3V。考虑到优点，当不需要短路检测并且可以容忍接地干扰时，可选择下桥臂电流检测。RSEN运放电路ISENISENVOUT负载电源2013MicrochipTechnologyInc.DS01332B_CN第3页AN1332上桥臂电流检测如图2所示，上桥臂电流检测将检测电阻连接在电源和负载之间。检测到的电压信号经后面的运放电路放大得到可测量的VOUT。图2：上桥臂电流检测a)优点：-消除了接地干扰-负载直接连接到系统地-可检测到意外短路引起的高负载电流b)缺点：-必须能处理非常高的动态共模输入电压-复杂且成本较高-高VDD部件在单电源配置中，上桥臂电流检测昀重要的方面是：•差分放大器的VCM范围必须足够宽，以承受高共模输入电压•差分放大器能够抑制动态共模输入电压MCP6H0X运放很适合上桥臂电流检测，接下来的一节将详细讨论。上桥臂电流检测的实现在不能容忍接地干扰并且需要短路检测的应用（例如，电机监控、过流保护和监控电路、汽车安全系统以及电池电流监视）中，通常选择上桥臂电流检测。本节将讨论三种典型的上桥臂电流检测实现方案，以及各自的优点和缺点。根据不同的应用要求，总有一种选择是昀合适的。单运放差分放大器图3给出了包含MCP6H01运放和四个外部电阻的单运放差分放大器。它可通过增益R2/R1放大检测电阻两端的较小压降，同时抑制共模输入电压。图3：单运放差分放大器差分放大器的共模抑制比（CMRRDIFF）主要由电阻不匹配（R1、R2、R1*和R2*）决定，而不是由MCP6H0X运放的CMRR决定。RSENISENISENVOUT负载电源运放电路MCP6H01R1VOUTR2R1*RSENISENRSENR1，R2VOUTV1V2–R2R1------VREF+=VREFR2*VDD负载电源ISENV1V2R1=R1*，R2=R2*AN1332DS01332B_CN第4页2013MicrochipTechnologyInc.R2/R1和R2*/R1*的电阻比必须良好匹配，才能获得可接受的CMRRDIFF。但是，紧容差电阻将增加此电路的成本。直流CMRRDIFF如公式1所示。公式1：例1•如果R2/R1=1且TR=0.1%，则昀坏情况下的直流CMRRDIFF将为54dB。•如果R2/R1=1且TR=1%，则昀坏情况下的直流CMRRDIFF将仅为34dB。此外，RSEN应远小于R1和R2，以将阻性负载效应降至昀低。从V1和V2的角度看，差分放大器的输入阻抗是不平衡的。请注意，阻性负载效应和不平衡的输入阻抗会降低CMRRDIFF。参考电压（VREF）允许放大器的输出转换为相对于地较高的电压。VREF必须由低阻抗电源提供，以避免CMRRDIFF更差。此外，如图3所示，输入电压（V1和V2）可由共模输入电压（VCM）和差模输入电压（VDM）表示：•V1=VCM+VDM/2，V2=VCM–VDM/2•VOUT=(V1–V2)×G+VREF=VDM×G+VREF，其中G=R2/R1为了防止VOUT使电源轨饱和，必须将其保持在允许的VOUT范围（VOL到VOH）内。差分放大器的VCM范围由于R1、R2、R1*和R2*形成的分压电阻而增大。简言之，差分放大器的VDM和VCM必须满足公式2中所示的要求：公式2：例2参考图3并假设VDD=16V，VSS=GND，VREF=GND，R2/R1=1且RSEN两端压降为200mV。因此，按照MCP6H01数据手册（DS22243C_CN），VCMRH=VDD–2.3V=13.7V，VCMRL=VSS–0.3V=-0.3V。根据公式2，差分放大器的可接受VCM为-0.5V至27.3V。差分放大器的优点和缺点包括：a)优点：-合理的共模抑制比（CMRRDIFF）-宽广的共模输入电压范围-低功耗、低成本且简单b)缺点：-阻性负载效应-不平衡的输入阻抗-调整差分放大器的增益需更改多个电阻值CMRRDIFF201R2R1------+K----------------log其中：TR=电阻容差K=R2/R1与R2*/R1*的净匹配容差CMRRDIFF（dB）=差分放大器的共模抑制比在昀坏情况下，K=4TR其中：G=R2/R1；差分放大器的增益VDM=V1–V2；差分放大器的差模输入电压VCM=(V1+V2)/2；差分放大器的共模输入电压VOH=运放高电平输出VOL=运放低电平输出VCMRH=运放共模输入电压上限VCMRL=运放共模输入电压下限VCMVCMRLVREF–1R1R2------+VDM2-----------+VOLVREF–G-----------------------------VDMVOHVREF–G------------------------------VCMVCMRHVREF–1R1R2------+VDM2-----------–2013MicrochipTechnologyInc.DS01332B_CN第5页AN1332三运放仪表放大器三运放仪表放大器（3运放INA）如图4所示。它可放大较小的差分电压并抑制较大的共模电压。图4：三运放仪表放大器3运放INA的架构包括：1.第一级第一级由一对高输入阻抗缓冲器（A1和A2）以及电阻（RF和RG）实现。这两个缓冲器可避免输入阻性负载效应和不平衡输入阻抗问题。此外，电阻RF和RG可将缓冲器对的差模电压增益（GDM）增至1+2RF/RG，同时使共模电压增益（GCM）等于1。根据公式CMRR=20log(GDM/GCM)，此方法的一个优点是可以大幅度提高3运放INA的CMRR（CMRR3INA）。因此，理论上CMRR3INA将随着GDM的增加而成比例增大。另一个优点是仅调整RG的阻值即可修改3运放INA的总增益，而无需调整R1、R1*、R2和R2*的阻值。2.第二级第二级由一个差分放大器（A3）实现，该放大器可放大差模电压并抑制共模电压。在实际应用中，R2/R1的比值通常设置为1。CMRR3INA主要由第一级的差模电压增益以及R2/R1和R2*/R1*的净匹配容差决定。请注意，电阻RF和RG的容差不影响CMRR3INA。R1R2R1*R2*VOUTVREFVOUTV1V2–12RFRG----------+R2R1------VREF+V1V2–12RFRG----------+VREF+==RSENISEN负载电源ISENRFRFRG其中设置R1=R1*=R2=R2*1/4MCP6H041/4MCP6H041/4MCP6H04A1A2A3V1=VCM+VDM/2V2=VCM-VDM/2VOUT1VOUT2AN1332DS01332B_CN第6页2013MicrochipTechnologyInc.直流CMRR3INA如公式3所示。公式3：但是，对于3运放INA，有一个常见问题很容易被忽略。该问题存在于3运放INA缩小的共模输入电压范围（VCM）中。参考图4，输入电压（V1和V2）可由共模输入电压（VCM）和差模输入电压（VDM）表示。即，V1=VCM+VDM/2，V2=VCM–VDM/2。放大器（A1和A2）提供了一个等于总增益（G）的差模电压增益（GDM）和一个等于1的共模增益（GCM）。为了防止VOUT1、VOUT2和VOUT使电源轨饱和，必须将它们保持在允许的输出电压范围（VOL到VOH）内。或者换句话说，3运放INA的VDM和VCM必须满足公式4中所示的要求。公式4：例3参考图4并假设VREF=0V，VDD=15V，VSS=0V，VOH=14.47V，VOL=0.03V，RF=R1=R1*=R2=R2*=100k，RG=2k，且RSEN两端的压降为100mV。因此，根据公式4，总增益G等于100V/V，留给3运放INA的VCM的电压范围仅为5.03V至9.47V。此范围小于MCP6H01运放的VCM范围，后者在VDD=15V时为-0.3V至12.7V。总之，在高增益配置下工作时，3运放INA的VCM范围将大幅缩小。3运放INA的优点和缺点包括：a)优点：-高共模抑制比（CMRR3INA）-无阻性负载效应-平衡的输入阻抗-无需更改多个电阻值即可调整总增益b)缺点：-3运放INA的VCM范围缩小-由于需要更多运放，增加了功耗和成本-MCP6H04不是轨到轨运放，其VCM为VSS-0.3V到VDD-2.3V，因此3运放INA