【導讀】對于大部分應用，都是通過感測電阻兩端的壓降測量電流。測量電流時，通常會將電阻放在電路中的兩個位置。第一個位置是放在電源與負載之間。這種測量方法稱為高側感測。通常放置感測電阻的第二個位置是放在負載和接地端之間。這種電流感測方法稱為低側電流感測。這兩種用于感測負載中電流的方法如圖圖 1 所示。
圖 1. 電流感測方法
兩種測量方法各有利弊。低側電流測量的優(yōu)點之一是共模電壓，即測量輸入端的平均電壓接近于零。這樣更便于設計應用電路，也便于選擇適合這種測量的器件。由于電流感測電路測得的電壓接近于地，因此在處理非常高的電壓時、或者在電源電壓可能 易于出現(xiàn)尖峰或浪涌的應用中， 優(yōu)先選擇這種方法測量電流。由于低側電流感測能夠抗高壓尖峰干擾，并能監(jiān)測高壓系統(tǒng)中的電流，因此廣泛應用于很多汽車、工業(yè)和電信 應用中。低側電流感測的主要缺點是采用電源接地端和負載/系統(tǒng)接地端時，感測電阻兩端的壓降會有所不同。如果其他電路以電源接地端為基準，可能會出現(xiàn)問題。為最大限度地避免此問題，存在交互的所有電路均應以同一接地端為基準。降低電流感測電阻值有助于盡量減小接地漂移。
設計電路或選擇用于電流測量的器件時，低側電流感測是最簡單的方法。由于輸入端的共模電壓低，因此可使用差分放大器拓撲。圖 2 給出了采用運算放大器（運放）的經(jīng)典差分放大器拓撲。
圖 2. 用于低側感測的運算放大器配置
使用運放進行電流感測時，要確保運算正確，需要滿足多項性能要求。首先，通過信號電源工作時，運算放大器需要支持對地的共模輸入電壓。由于差分放大器通常會提高差分輸入信號的增益，因此務必擺動到運放的軌規(guī)范范圍內(nèi)，以確保信號正常傳遞到輸出端。由于上述原因，通常會優(yōu)先使用軌到軌輸入和輸出運算放大器進行電流感測。由于在差分放大器配置中并未指定運算放大器，因此難以判斷在實際應用中會達到何種性能。如果在運放周圍增加電阻，建立電流感測電路，則轉(zhuǎn)換率、帶寬、輸入電流、共模抑制以及漂移等參數(shù)性能都會下降。參數(shù)性能下降程度將取決于放大器的閉環(huán)增益以及增益設置電阻的值。采用分立解決方案時，需要考慮圖 2 中 R1 和 R2 的匹配和容差，因為這些元件的變化將直接影響電路的增益誤差。
采用分立電流感測放大器時要考慮的另一因素是 PCB布局。需要將 R1 和 R2 放在盡可能靠近運算放大器和電流感測電阻的位置。將這些元件放在靠近運放的位置后，運算放大器同相輸入端出現(xiàn)噪聲拾取的可能性會降低。由于很多電流感測放大器都與 DC/DC 轉(zhuǎn)換器配合使用，因此需要仔細考慮整個電流感測電路的放置位置，以免 DC/DC 電源發(fā)出輻射噪聲。差分放大器增益可通過圖 2 所示的等式進行計算。但增益增大或減小都會影響解決方案的穩(wěn)定性和帶寬。如果應用中存在容性負載，需要特別考慮運放的 穩(wěn)定性，以免 出現(xiàn)振蕩或嚴重的輸出振鈴現(xiàn)象。
若要克服分立實現(xiàn)方案的缺陷，一種有效方式是采用圖3 中所示的電流感測放大器。
圖 3. 采用 INA199 電流感測放大器進行低側電流感測
電流感測放大器集成了增益設置電阻，從而可減少分立實現(xiàn)方案存在的諸多布局問題。內(nèi)部電阻設計用于減少不匹配情況，從而可優(yōu)化增益誤差規(guī)范。電流感測放大器經(jīng)過預先配置，可滿足多種不同的增益要求。例如，INA199 的增益可為50、100和200V/V。帶寬和容性負載穩(wěn)定性使用數(shù)據(jù)表中指定的最大容性負載針對各個增益設置進行了優(yōu)化。集成增益設置電阻可降低噪聲靈敏度、減小 PCB 占用面積，并可簡化布局。集成這些電阻并不一定意味著會增大封裝尺寸。INA199 可采用 2 mm x 1.25 mm SC70 6 引線封裝和 1.8 mm x1.4 mm 超薄四方扁平無引線 (UQFN) 封裝。
INA199 的電流測量精度要高于成本效益高的分立運放設計可達到的精度。該器件 在 -40°C 至 105°C 溫度范圍內(nèi)的最大增益誤差為 1.5%。INA199 的偏移小于 150μV，漂移低于 0.5 μV/°C。
INA199 還 具有 REF 引腳。施加到 REF 引腳上的電壓會增大輸出端電壓。如果下游器件需要轉(zhuǎn)換電流信號電平，可使用該引腳。
備選器件建議
對于對性能要求較高的 應用， INA210-215 系列器件具有較低的偏移（最大 35μV）和增益誤差（最大 1%）。如果需要使用數(shù)字接口實現(xiàn)高精度電流監(jiān)測，INA226具有 最大 10 μV 的偏移以及 0.1% 的增益誤差。如果需要小型數(shù)字電流監(jiān)測，可選擇采用小型 1.68 mm x 1.43mm 封裝的 INA231，它非常適合便攜式應用或空間受限的其他 應用。如果需要通過引腳可綁定的增益設置進行電壓輸出電流監(jiān)測，可采用 INA225。
表 1. 備選器件建議
表 2. 相關技術報告
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