精確的高端電流檢測(cè)在許多應(yīng)用中都是必需的，包括電機(jī)控制、電磁閥控制和電源管理（例如，DC-DC轉(zhuǎn)換器和電池監(jiān)控）。在此類應(yīng)用中，監(jiān)控高端（而不是返回）的電流可以提高診斷功能，例如確定對(duì)地短路和連續(xù)監(jiān)測(cè)再循環(huán)二極管電流，并通過(guò)避免引入分流電阻來(lái)保持接地路徑的完整性。圖1、圖2和圖3描述了用于電磁閥和電機(jī)控制的典型高側(cè)分流配置。

圖1.典型電磁閥控制中的高邊分流器。

圖2.H橋電機(jī)控制中的高邊分流器。

圖3.三相電機(jī)控制中的高邊分流器。

在上面顯示的所有配置中，分流電阻器（用于監(jiān)控負(fù)載電流）上的脈寬調(diào)制（PWM）共模電壓在從地到電池的整個(gè)范圍內(nèi)擺動(dòng)。該P(yáng)WM輸入信號(hào)將具有由從功率級(jí)到FET的控制信號(hào)建立的周期、頻率和上升/下降時(shí)間。因此，監(jiān)控分流電阻兩端電壓的差分測(cè)量電路需要將非常高的共模抑制和高電壓處理能力以及高增益、高精度和低失調(diào)的嚴(yán)格組合，所有這些都是為了提供負(fù)載電流值的真實(shí)表示。

在使用單個(gè)控制FET的電磁閥控制（圖1）中，電流始終沿同一方向流動(dòng)，因此單向電流傳感器就足夠了。在電機(jī)控制配置（圖2和圖3）中，將分流器放在電機(jī)相位上意味著分流電阻中的電流可以雙向流動(dòng);因此，需要雙向電流傳感器。

研究高端電流檢測(cè)功能選擇的設(shè)計(jì)人員會(huì)發(fā)現(xiàn)許多半導(dǎo)體供應(yīng)商的各種選擇。然而，一個(gè)關(guān)鍵的發(fā)現(xiàn)是，這些集成電路器件的選擇可以根據(jù)兩種完全不同的高壓架構(gòu)進(jìn)行分類：電流檢測(cè)放大器和差動(dòng)放大器。

我們將在這里確定并解釋這些架構(gòu)之間的一些關(guān)鍵差異，以幫助需要高端電流檢測(cè)的設(shè)計(jì)人員選擇最適合應(yīng)用的器件。我們將比較兩個(gè)高壓器件，即雙向差動(dòng)放大器AD8206和雙向電流檢測(cè)放大器AD8210。兩款器件均提供相同的引腳排列，并且都執(zhí)行高端分流監(jiān)控，但它們的規(guī)格和架構(gòu)不同。那么，如何考慮哪種設(shè)備最適合該應(yīng)用呢？

他們是如何工作的

AD8206（圖4）是一款集成式高壓差動(dòng)放大器，通過(guò)使用輸入電阻將輸入電壓衰減65.16：7，使共模電壓保持在放大器A1的輸入范圍內(nèi)，可承受高達(dá)1 V的共模電壓。遺憾的是，輸入電阻網(wǎng)絡(luò)也會(huì)以相同的值衰減差分信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)AD8206的20 V/V特性增益，放大器A1和A2實(shí)際上必須將差分信號(hào)放大約334 V/V。

圖4.AD8206簡(jiǎn)化原理圖

該器件通過(guò)將輸出放大器偏移到電源范圍內(nèi)的合適電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)雙向輸入測(cè)量。失調(diào)是通過(guò)向連接到A2正輸入端的精確調(diào)整的電阻分壓器施加外部低阻抗電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該器件的一個(gè)有用特性是，當(dāng)共模電壓變?yōu)樨?fù)值多達(dá)2 V時(shí)，它能夠正確放大差分輸入電壓，這是圖中所示250 mV共模偏置電路的結(jié)果。

AD8210（圖5）是最近推出的高壓電流檢測(cè)放大器，具有與AD8206相同的功能關(guān)系，并使用相同的引腳連接。但是，它的工作方式不同，并且得到的規(guī)格與差動(dòng)放大器的規(guī)格不同。

圖5.AD8210功能框圖

一個(gè)明顯的區(qū)別是，輸入結(jié)構(gòu)不依賴于電阻衰減網(wǎng)絡(luò)來(lái)處理大共模電壓。輸入放大器包括高壓晶體管，可用于XFCB IC制造工藝。因?yàn)?V行政長(zhǎng)官暴露于該電壓的所有晶體管的擊穿均超過(guò)65 V，輸入端的共模電壓可高達(dá)65 V。

AD8210等電流檢測(cè)放大器按以下方式放大小差分輸入電壓。輸入端子通過(guò)R1和R1連接到差分放大器A2。A1通過(guò)調(diào)節(jié)通過(guò)晶體管Q1和Q2的R1和R2的電流，使自身輸入端子上的電壓為零。當(dāng)AD8210的輸入信號(hào)為0 V時(shí)，R1和R2中的電流相等。當(dāng)差分信號(hào)不為零時(shí)，通過(guò)其中一個(gè)電阻的電流增加，在另一個(gè)電阻中減小。電流差與輸入信號(hào)的大小和極性成正比。通過(guò)Q1和Q2的差分電流通過(guò)兩個(gè)內(nèi)部精密調(diào)整電阻轉(zhuǎn)換為以地為參考的差分電壓。然后，該電壓可以通過(guò)放大器A2放大，這次使用由器件的5 V（典型值）電源供電的低壓晶體管，以產(chǎn)生總增益為20的最終輸出。

采用這種架構(gòu)的電流檢測(cè)放大器通常僅在輸入共模電壓保持在2 V或3 V以上，并且應(yīng)用不要求輸入共模電壓一直接地（或低于）時(shí)才有用。但是，AD8210使用上拉電路將放大器A1的輸入保持在5 V電源附近，即使輸入共模降至5 V以下，甚至一直降至–2 V。因此，在遠(yuǎn)低于器件 5V 電源的共模電壓下，可以進(jìn)行精確的差分輸入電壓測(cè)量。

很明顯，電流檢測(cè)放大器和差動(dòng)放大器執(zhí)行相同的功能，但工作方式卻大不相同。差動(dòng)放大器衰減高輸入電壓，使信號(hào)達(dá)到放大器可以容忍的水平。電流檢測(cè)放大器將差分輸入電壓轉(zhuǎn)換為電流，然后再轉(zhuǎn)換回以地為參考電壓;由于其高壓制造工藝，其輸入放大器能夠承受較大的共模電壓。兩種架構(gòu)之間的差異自然會(huì)導(dǎo)致性能差異，設(shè)計(jì)人員在選擇高端電流監(jiān)控解決方案時(shí)必須考慮這些差異。制造商的數(shù)據(jù)手冊(cè)通常提供根據(jù)精度、速度、功率和其他參數(shù)正確判斷使用哪種類型的器件所需的大部分信息。然而，在閱讀數(shù)據(jù)手冊(cè)時(shí)，器件架構(gòu)固有的一些關(guān)鍵差異并不是很明顯，但它們可能是重要的設(shè)計(jì)考慮因素。以下是工程師必須注意的要點(diǎn)，以獲得最佳解決方案。

帶寬：由于輸入衰減，許多差動(dòng)放大器的帶寬通常約為電流檢測(cè)放大器的五分之一。然而，差動(dòng)放大器的較低帶寬對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)仍然足夠。例如，許多電磁閥控制應(yīng)用的運(yùn)行頻率低于20 kHz，但由于噪聲考慮，電機(jī)控制通常必須以20 kHz或更高的頻率運(yùn)行。電磁閥控制通常涉及查看平均電流，差動(dòng)放大器的帶寬非常適合這種應(yīng)用。另一方面，對(duì)于電機(jī)控制，瞬時(shí)電流是關(guān)鍵，尤其是在測(cè)量電機(jī)相位時(shí);因此，電流傳感器架構(gòu)具有更高的帶寬，將產(chǎn)生更真實(shí)的實(shí)際電機(jī)電流表示。

共模抑制：這兩種體系結(jié)構(gòu)之間的輸入結(jié)構(gòu)差異也會(huì)導(dǎo)致 CMR 性能的差異。差動(dòng)放大器通常具有經(jīng)過(guò)調(diào)整的輸入電阻，跟蹤精度為0.01%。這種匹配程度通常可在直流時(shí)保證 80 dB CMR。電流檢測(cè)放大器采用晶體管輸入結(jié)構(gòu)，可以獲得更好的匹配，因此CMR不再依賴于輸入電阻匹配，通常可以指定在100 dB以上，但共模電壓值較低時(shí)除外。例如，當(dāng)輸入共模電壓小于8210 V時(shí)，AD80提供與差動(dòng)放大器相同的5 dB。在此電壓范圍內(nèi)，由于上述內(nèi)部上拉電路，輸入結(jié)構(gòu)變?yōu)樽栊?因此，CMR再次成為0.01%精密調(diào)整電阻匹配的函數(shù)。不過(guò)，在整個(gè)范圍內(nèi)，電流檢測(cè)架構(gòu)將提供更好的共模抑制。

外部輸入濾波的影響：如果要在高端電流檢測(cè)應(yīng)用中使用輸入濾波，該架構(gòu)可能具有很高的影響力。輸入濾波器旨在消除輸入噪聲和電流尖峰的影響，通常如圖6所示實(shí)現(xiàn)。

圖6.輸入過(guò)濾器選項(xiàng)。

由于每個(gè)器件（無(wú)論其架構(gòu)如何）都有一些經(jīng)過(guò)調(diào)整的輸入電阻，因此串聯(lián)添加的任何外部電阻都會(huì)產(chǎn)生失配，導(dǎo)致增益和CMR誤差，通常計(jì)算如下（R在是指定的放大器輸入電阻）：

差動(dòng)放大器的輸入電阻大于 100 kohm。對(duì)于AD8206，其中R在= 200 kohm，如果使用200歐姆濾波電阻，則額外的增益誤差將為~0.1%。假設(shè)電阻容差為1%，這些外部元件產(chǎn)生的共模誤差將為–94 dB，因此其貢獻(xiàn)無(wú)關(guān)緊要，因?yàn)樗旧想[藏在器件的80 dB指定CMR誤差中。

電流檢測(cè)放大器雖然具有高得多的共模輸入阻抗，但具有通常低于5 kohm的輸入串聯(lián)電阻，以便將差分輸入電壓轉(zhuǎn)換為電流。對(duì)于AD8210，必須使用以下公式重新計(jì)算上述公式R在= 3.5 kohm（差分輸入阻抗）。在這種情況下，濾波電阻引起的額外增益誤差可能高達(dá)5.4%！此外，假設(shè)最壞情況下外部電阻不匹配，CMR可能會(huì)降至59 dB。對(duì)于典型精度提供小于 2% 的最大總誤差的設(shè)備來(lái)說(shuō)，這是對(duì)性能的重大打擊。

因此，在引入具有電流檢測(cè)架構(gòu)的輸入濾波器時(shí)必須小心。當(dāng)內(nèi)阻為 10 kohm 或更小時(shí)，使用小于 5 歐姆的濾波電阻。這將確保電流檢測(cè)放大器保持較高的原始精度。如上所示，差動(dòng)放大器可以使用更寬范圍的輸入濾波電阻值，因?yàn)楦咧递斎腚娮璨惶菀资艿酵獠渴涞挠绊憽?/p>

過(guò)驅(qū)動(dòng)輸入：在高端電流檢測(cè)應(yīng)用中，設(shè)計(jì)人員必須仔細(xì)考慮可能導(dǎo)致放大器在其規(guī)定范圍之外工作的潛在事件。在典型使用中，放大器的輸入相差只有幾百毫伏，這是由負(fù)載電流流過(guò)分流電阻引起的，但該器件能否承受輸入端出現(xiàn)幾伏電壓的故障條件？在這種情況下，差動(dòng)放大器架構(gòu)本質(zhì)上更加穩(wěn)健，一旦系統(tǒng)恢復(fù)正常，就更有可能繼續(xù)按預(yù)期工作。輸入電阻網(wǎng)絡(luò)可以簡(jiǎn)單地將電流源向地提供;在65 V電壓下，AD8206每路輸入200 Kohm，將有325 μA電流流向地。

如果使用電流檢測(cè)架構(gòu)，設(shè)計(jì)人員必須關(guān)注此類潛在問(wèn)題。在第一個(gè)例子中，像AD8210這樣的器件將無(wú)法承受輸入端的較大電壓擺幅。此類器件通常在輸入之間包括一個(gè)ESD保護(hù)二極管。該二極管正向偏置的電壓差大于約0.7 V。該二極管的實(shí)際斷點(diǎn)各不相同，但大差分電壓（例如汽車電池提供的差分電壓）通常會(huì)導(dǎo)致由于電氣過(guò)應(yīng)力而損壞器件。

負(fù)電壓保護(hù)：在許多情況下，有必要保護(hù)電流傳感器免受電池電壓反接的影響，尤其是在汽車應(yīng)用中。差動(dòng)放大器的電阻橋輸入可能是一個(gè)重要的生存因素。但是，設(shè)計(jì)人員必須檢查器件的絕對(duì)額定值，以確保輸入ESD二極管也設(shè)計(jì)為導(dǎo)通，但僅在大負(fù)電壓下導(dǎo)通。

然而，在這種情況下，電流檢測(cè)架構(gòu)并不是最佳的，因?yàn)檩斎敕糯笃骷捌湎鄳?yīng)的輸入晶體管將直接連接到大負(fù)電壓。由于輸入不應(yīng)承受較大的負(fù)直流電壓，因此電流檢測(cè)放大器的輸入ESD二極管通常設(shè)計(jì)為在輸入電壓范圍的指定低端之外導(dǎo)通。

然而，除了負(fù)直流電壓外，這種電流監(jiān)視器還可能受到負(fù)輸入瞬變的影響。這在PWM系統(tǒng)中通常就是這種情況，當(dāng)控制FET打開和關(guān)閉時(shí)，分流監(jiān)視器的輸入共模電壓從地?cái)[動(dòng)到電池。同樣，必須仔細(xì)考慮絕對(duì)最大額定值，這主要由器件的輸入ESD二極管決定。和以前一樣，差動(dòng)放大器受到高輸入電阻的保護(hù)，基本上不受負(fù)瞬變的影響;因此，ESD二極管通常設(shè)計(jì)為在大負(fù)電壓下箝位。但是，當(dāng)使用電流檢測(cè)架構(gòu)時(shí)，即使是非常短的持續(xù)時(shí)間的負(fù)瞬變也會(huì)使輸入ESD保護(hù)跳閘，該保護(hù)設(shè)計(jì)用于在接近器件輸入共模額定值的電壓下導(dǎo)通。雖然此類脈沖通常不會(huì)攜帶足夠的能量來(lái)?yè)p壞AD8210的ESD單元，但這方面的性能因器件而異。為確保不會(huì)出現(xiàn)并發(fā)癥，應(yīng)在實(shí)際系統(tǒng)中測(cè)試此參數(shù)。

輸入偏置電流：在電源管理很重要且必須考慮小泄漏的應(yīng)用中，兩種架構(gòu)的不同輸入結(jié)構(gòu)要求考慮輸入偏置電流。例如，在電池電流檢測(cè)系統(tǒng)中，兩種架構(gòu)都將監(jiān)控高端電流。但是，當(dāng)系統(tǒng)關(guān)閉且電流監(jiān)視器的電源關(guān)閉時(shí)，當(dāng)輸入仍連接到電池時(shí)，差動(dòng)放大器（如AD8206）的阻性輸入網(wǎng)絡(luò)中固有的接地路徑將需要偏置電流，該偏置電流繼續(xù)從電池漏電流。另一方面，采用電流檢測(cè)架構(gòu)的器件具有非常高的輸入共模阻抗（AD5為>8210 Mohm），不會(huì)耗盡電池電流，因?yàn)閹缀鯖]有電流會(huì)通過(guò)其輸入流向地。

結(jié)論

高端電流檢測(cè)是汽車、電信、消費(fèi)電子和工業(yè)應(yīng)用中的普遍要求。現(xiàn)在市場(chǎng)上提供集成的高壓差分和電流檢測(cè)放大器來(lái)執(zhí)行此功能。根據(jù)應(yīng)用中的精度和生存要求，系統(tǒng)工程師需要仔細(xì)研究哪種類型的電流傳感器最適合其系統(tǒng)。下表總結(jié)了典型的注意事項(xiàng)。

兩種類型的電流監(jiān)視器都可以完成這項(xiàng)工作，但它們不同架構(gòu)提供的優(yōu)勢(shì)伴隨著不同的權(quán)衡。對(duì)于瞬時(shí)電流監(jiān)控，電流檢測(cè)放大器的寬帶寬最為合適，而差動(dòng)放大器拓?fù)淇梢暂p松滿足監(jiān)控平均電流的應(yīng)用。此外，對(duì)電流消耗敏感的電源管理應(yīng)用受益于具有最小輸入斷電偏置電流消耗的電流檢測(cè)放大器。然而，在實(shí)施外部濾波器時(shí)，高端電流檢測(cè)放大器的輸入結(jié)構(gòu)可能會(huì)限制性能，需要仔細(xì)檢查，以確保在惡劣的應(yīng)用環(huán)境中不超過(guò)其絕對(duì)輸入額定值。

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審核編輯：郭婷