最近，一位工程師要求一種解決方案，以提供20A負載的高邊監控，其精確的過流檢測閾值優于5%。沒有易于獲取的現成解決方案能夠使用精度低于5%的低值檢測電阻器！為什么是5%？10%可以嗎？對于 20A 負載，10% 的電流限制將導致跳閘門限最小值為 18A 最小值或最大值 22A，裕量比可接受的裕量大得多。是什么因素使5%如此困難？在本應用筆記中，我們討論了實現5%精度的挑戰，并提出了一種解決方案，該解決方案可提供高端電流檢測放大器過流保護方案所需的精度。

概述

電流檢測放大器（CSA）可以使用多種拓撲結構進行設計，其中兩種拓撲如圖1所示。 和 2.在圖1中，運算放大器（運算放大器）配置為差分放大器，用于放大 在電流檢測分流電阻器兩端產生的差分電壓。有一些應用程序 低側電流檢測的使用有限制;但是，本應用筆記不會討論這些情況。請參考Maxim應用筆記746：“高端電流檢測：電路和原理”，了解有關低側電流檢測與高端電流檢測的更多詳細信息 電流檢測。

差分放大器拓撲的主要限制是R1與R4的電阻比匹配，該匹配設置了 差分增益和共模增益誤差兩個方程決定了精度誤差的主要來源 電路。公式1是圖1增益的公式，公式2詳細說明了共模增益誤差。公式 3 用于計算 V外對于圖 1。

當R1至R4使用1%電阻時，測量電流的總誤差將大于5%，并且 使用最壞情況公差計算誤差。因此，需要降低公差。 電阻器的費用更高。這種方法的主要缺點是對精密電阻的要求 嚴格容差R4/R3和R2/R1的比率值，以克服對更高共模電壓的誤差敏感性。

圖1.基于運算放大器的差分放大器。

圖 2 顯示了用于設計 CSA 的另一種常見拓撲。采用這種方法，電流檢測分流電阻 仍然用于檢測負載電流。然后，檢測電阻兩端產生的電壓在R1上鏡像，該電流被傳輸到R。外.CSA 電壓輸出為：

在這種配置中，增益只是R的比值外/R1.在制造過程中，可以輕松消除比率誤差。這種拓撲結構大大簡化了對緊密匹配電阻比的要求，這對于圖1所示的差分放大器方法非常重要。因此，我們可以大幅減少先前方法中發現的共模電壓誤差。為了盡量減少錯誤，R2 = R1 有助于取消 排除由輸入偏置電流引起的任何失調誤差。

圖2.Maxim電流檢測拓撲結構。

設計解決方案的步驟

設計一個能夠最大限度地降低高邊CSA整體測量誤差的解決方案，首先要設計一個基本的電路圖，如圖3所示。

圖3.過流檢測電路。

有多種方法可以設計電路來解決相同的問題。圖 3 中描述的解決方案使用更多 超過一個 IC。然而，在開始設計雙芯片方案之前，我們先考慮MAX4373，它集成了所需的大部分電流檢測功能（圖4）。

圖4.MAX4373/MAX4374/MAX4375功能電路圖

MAX4373集成CSA、0.6V內部基準和單路比較器，具有鎖存輸出，支持 整體占地面積更小。鎖存比較器輸出及其復位輸入可以控制 外部p溝道MOSFET，與圖3所示的解決方案相比，這反過來又簡化了實施 方框圖。圖5所示為典型的過流保護電路圖。電壓輸入大于 5V 要求在COUT1和MOSFET柵極之間建立電平轉換電路。這是控制外部所必需的 MOSFET 作為 5V 是 COUT1 上的最大上拉電壓。

圖5.MAX4373過流保護電路

雖然MAX4373提供了一個有趣的選擇，但最好進行并排比較以確定 最佳解決方案。將所有必需的參數輸入電子表格后，很明顯，MAX4373 解決方案不會提供比 5% 最壞情況精度更好的結果。使用MAX9938進行類似的練習，我們發現該選項提供了更好的解決方案，可以最大限度地減小精度誤差。

表 1.MAX9938/MAX9053A與MAX4373的比較

本應用筆記不詳細介紹MOSFET和MOSFET驅動器/故障邏輯電路的設計和選擇。 由于該文件主要是關于檢測過電流的準確性。學習控制 MOSFET，請參考Maxim應用筆記4501、265、4415和2015。

我們的解決方案的設計要求如下：

V 電源 = 12V ±10%，（最小 10.8V /最大值 13.2V）

最大負載電流 = 20A

20A = ±5% 或 ±1A 時的最大電流限制精度

響應時間也很重要，因為它還可能影響精度和電路保護可靠性。請注意， 為該解決方案選擇的比較器具有非常快的響應時間，如表1所示。

選擇電流檢測分流電阻器

確定檢流電阻（R意義).更大的R意義值 增加串聯紅外壓降和功率損耗;但是，這也將最大限度地減少偏移的影響 電壓誤差，如表2所示。對于要求最小電壓和功率損耗的設計，請使用最低的 R意義值可能，同時保持在總體精度目標之下。表 2 提供了概述的快速概述 CSA 電壓輸出誤差由 CSA 失調電壓和 R意義價值。然而，這里有一個權衡 在選擇較小的電流檢測電阻器（以增加增益為代價）和更高的電流檢測電阻器之間 值檢流電阻，但代價是使用更大的更高功率檢流電阻（R意義) 這樣可以最大限度地降低輸入失調電壓的影響。像這樣的高電流檢測應用可以 產生實質性的I2R 中的功率損耗意義.對于此設計，0.00125Ω檢測電阻和 CSA 增益 100在功耗和輸出誤差之間提供了很好的折衷方案。請注意，表 2 已構建 使用所需的最大輸出電流 20A，電壓跳變電平由比較器基準設定 電壓為2.5V。MAX9938的CSA增益選項為25、50、100和200。請注意，對于1.25V基準， 使用相同的檢測電阻可將所需增益降低兩倍。對于此示例， 我們采用2.5V基準。

表 2.電流檢測電阻器選項

如前所述，從 100 的 CSA 增益開始，以最大限度地減少整個檢測的壓降和功率損耗 電阻器。為了設計具有最佳精度和小尺寸的電路，我們使用MAX9053A比較器 集成精密基準和MAX9938精密CSA。MAX9938采用類似的拓撲結構，如 圖2.許多其他具有更低直流誤差的合適CSA可用于此設計。例如 MAX44284是另一個絕佳的選擇，具有±27μV的最大輸入失調電壓和 最大增益誤差為0.26%。當RS值為0.00125Ω時，CSA的理想線性響應為125mV/A， 對于一個 20A 負載，產生一個 2.5V 的 CSA 輸出。請注意，可用的標準值檢流電阻可能不同 來自表 2 中生成的那些。只需使用這些值即可獲得 20A 的理想跳變點，無需調整。用 設計電子表格以輸入其他值并快速重新計算新的行程點。表3和表4顯示了CSA和比較器的數據手冊誤差。這些參數在錯誤預算電子表格中使用。

表 3.MAX9938電流檢測放大器誤差

表 4.MAX9053A比較器門限誤差

電子表格中使用了以下公式。CSA的電壓輸出由公式4定義。

使用設計電子表格節省時間

使用電子表格計算錯誤可以節省寶貴的時間，尤其是在需要更改時。圖6顯示了一個電子表格，用于根據數據手冊中的最壞情況誤差計算總誤差。根 平方和 （RSS） 分析，其中總誤差是單個誤差的平方和的平方根， 未使用。RSS 基于這樣一種思想，即在添加兩個隨機分布（正態分布或 高斯）測量，所得分布的標準差等于 初始分布標準差的平方和。因為個別錯誤來源 不相關，RSS 方法可能比最壞情況的方法更現實（如 CSA 的情況）。為 此電子表格根據最差增益誤差、失調誤差和檢測計算 CSA 的電壓輸出 電阻容差和溫度漂移。接下來，計算最差情況比較器跳變電平并執行 基于這兩個值的誤差計算。理想情況下，誤差高于 RSS 方法的誤差。因為 使用最壞情況誤差，本例中計算的誤差小于5%，實際實際誤差應為 小于計算的最壞情況誤差。請注意，由于 CMMR 引起的任何錯誤都不包括在內，因為這些錯誤 根據數據表檢查，錯誤微不足道。Maxim應用筆記5095：“直流誤差預算計算器簡化了最佳檢流放大器的選擇”提供了另一個優點 使用 RSS 方法計算 CSA 中的 DC 誤差預算的文檔。圖 6 電子表格還 包括用于確定過流跳變點的比較器的誤差。

圖6.錯誤預算設計電子表格。

總結

CSA 可用于廣泛的應用。為了最大限度地減少整體測量誤差，在使用CSA進行設計時，了解應用權衡至關重要。在本應用筆記中，我們定義了誤差 限流電路的源，將它們組織在一個易于使用的電子表格中。

審核編輯：郭婷