高端电流检测的原理和电路
摘要: 本文介绍低端、高端检流电路的结构和它们的应用。关键词：电流检测 限流 电流测量技术具有极为广泛的应用，许多系统中都需要检测流入、流出电流的大小。例如，电流保护/电流监测设备、4-20mA 电流环系统、可编程电流源、线性/开关模式电源、以及需要掌握流入流出电流比例的充电器或电池电量计量器。由于很多应用是便携式的，因此电流检测电路还必须具有小体积、低功耗的特性。
高端/低端检流电路
低端检流电路的检流电阻串联到地(图1），而高端检流电路的检流电阻是串联到高电压端(图2）。两种方法各有特点：低端检流方式在地线回路中增加了额外的电阻，高端检流方式则要处理较大的共模信号。
图1 所示的低端检流运放以地电平作为参考电平，检流电阻接在正相端。 运放的输入信号中的共模信号范围为：(GNDRSENSE*ILOAD）。尽管低端检流电路比较简单，但有几种故障状态是低端检流电路检测不到的，这会使负载处于危险的情况，利用高端检流电路则可解决这些问题。
高端检流电路直接连到电源端，能够检测到后续回路的任何故障并采取相应的保护措施，特别适合于自动控制应用领域，因为在这些应用电路中通常采用机壳作为参考地。
传统高端检流电路
传统的高端/低端检流方式有多种实现方案，绝大多数基于分立或半分立元件电路。高端检流电路通常需要用一个精密运放和一些精密电阻电容，最常用的高端检流电路采用差分运放做增益放大并将信号电平从高端移位到参考地(图3）：
VO=IRS*RS；R1=R2=R3=R4
该方案已广泛应用于实际系统中，但该电路存在三个主要缺点：
1）输入电阻相对较低，等于R1；
2）输入端的输入电阻一般有较大的误差值；
3）要求电阻的匹配度要高，以保证可接受的CMRR。任何一个电阻产生1%变化就会使CMRR 降低到46dB；0.1%的变化使CMRR 达到66dB，0.01%的变化使CMRR 达到86dB。高端电流检测需要较高的测量技巧，这促进了高端检流集成电路的发展。而低端电流检测技术似乎并没有相应的进展。
采用集成差分运放实现高端电流检测
采用差分运放进行高端电流检测的电路更便于使用，因为近期推出了许多种集成电路解决方案。集成电路内部包括一个精密运放和匹配度很好的电阻，CMRR 高达105dB 左右。MAX4198/99 就是这样的产品，它的CMRR 为110dB，增益误差优于0.01%，而且采用小体积的8 引脚mMAX 封装。
专用高端检流电路内部包含了完成高端电流检测的所有功能单元，可在高达32V 的共模电压下检测高端电流，并提供与之成比例的、以地电平为参考点的电流输出。需要对电流做精确测量和控制的应用，如电源管理和电池充电控制，都适合采用这种方案。
MAXIM 的高端检流运放中所使用的检流电阻放置在电源的高端和被检测电路的电源输入端之间，检流电阻放在高端不给地线回路增加额外阻抗，这项技术提高了整个电路的性能并简化了布版要求。
MAXIM 推出了一系列双向或单向电流检测IC，有些双向电流检测IC 内置检流电阻，可检测流入或流出被检电路的电流大小并通过一个极性指示引脚显示电流方向。增益可调的电流检测IC、固定增益（+20V/V，+50V/V，或+100V/V）电流检测芯片或包括单双比较器的固定增益电流检测IC，都采用小体积封装，如SOT23，可满足对尺寸要求苛刻的应用。图4 是用MAX4173 构成的高端电流检测电路。
图中输出电压与检流电阻的关系式为：
Vo=RGD*(Iload*Rsense)/RG1)*b 式中b 为镜像电流系数
上式可进一步简化为: Vo=Gain*Rsense*Iload;Gain= b*RGD/RG1
Gain 分别为：20(MAX4173T)，50(MAX4173F)，100(MAX4173H).
通过以上计算公式可看出，CMRR 由内部集成检流电路的工艺决定(典型值90dB），不再受外部电阻的影响。
采用集成检流电路有以下优点：
1、器件的一致性好
2、极好的温漂特性
3、体积小
4、低功耗
5、使用方便
选择检流电阻的注意事项
检流电阻RSENSE 应根据以下几条原则进行选择：
1、电压损耗：检流电阻阻值过大会引起电源电压以IR 的数值降低。为了减少电压损耗，应选用小阻值的检流电阻。
2、精度：较大的检流电阻可以获得更高的小电流的测量精度。这是因为检流电阻上的电压越大，运放的失调电压和输入偏置电流的影响就相对越小。
3、效率和功耗：当电流较大时，RSENSE 上的功耗I2R 就不能忽略。在考虑检流电阻和功耗时，需要注意这一点。如果允许检流电阻发热，则电阻阻值可大一些。
4、电感：如果ISENSE 包含大量高频成分，则检流电阻的电感量要很小。线绕电阻的电感最大，金属膜电阻比较好。
5、成本：如果合适的检流电阻的价格太高，则可采用另一种替代方案(图5）。它采用电路板的印制线作为检流电阻。由于印制板铜线“电阻”并不精确，电路里需要一个电位器调节满量程电流值。另外，铜线的温漂较大(大约为0.4%/℃），在宽温度范围下工作的系统需要考虑这一点。
可调节的线性电流源
可调节线性电流源(图6)是利用高端电流检测器构成的一个典型应用电，IC1 将R1 电流转换成相应比例的电压信号，控制稳压芯片IC2 产生一个稳定的输出电流，D/A 转换器可以提供IOUT 的数字控制。要达到12 BIT 精度(60mA 每LSB)的要求，可使用并行接口的MAX530 或串行接口的MAX531。10 BIT 精度(250mA 每LSB)，则可使用并行接口的MAX503 或串行接口的MAX504。
高端/低端检流电路
低端检流电路的检流电阻串联到地(图1），而高端检流电路的检流电阻是串联到高电压端(图2）。两种方法各有特点：低端检流方式在地线回路中增加了额外的电阻，高端检流方式则要处理较大的共模信号。
图1 所示的低端检流运放以地电平作为参考电平，检流电阻接在正相端。 运放的输入信号中的共模信号范围为：(GNDRSENSE*ILOAD）。尽管低端检流电路比较简单，但有几种故障状态是低端检流电路检测不到的，这会使负载处于危险的情况，利用高端检流电路则可解决这些问题。
高端检流电路直接连到电源端，能够检测到后续回路的任何故障并采取相应的保护措施，特别适合于自动控制应用领域，因为在这些应用电路中通常采用机壳作为参考地。
传统高端检流电路
传统的高端/低端检流方式有多种实现方案，绝大多数基于分立或半分立元件电路。高端检流电路通常需要用一个精密运放和一些精密电阻电容，最常用的高端检流电路采用差分运放做增益放大并将信号电平从高端移位到参考地(图3）：
VO=IRS*RS；R1=R2=R3=R4
该方案已广泛应用于实际系统中，但该电路存在三个主要缺点：
1）输入电阻相对较低，等于R1；
2）输入端的输入电阻一般有较大的误差值；
3）要求电阻的匹配度要高，以保证可接受的CMRR。任何一个电阻产生1%变化就会使CMRR 降低到46dB；0.1%的变化使CMRR 达到66dB，0.01%的变化使CMRR 达到86dB。高端电流检测需要较高的测量技巧，这促进了高端检流集成电路的发展。而低端电流检测技术似乎并没有相应的进展。
采用集成差分运放实现高端电流检测
采用差分运放进行高端电流检测的电路更便于使用，因为近期推出了许多种集成电路解决方案。集成电路内部包括一个精密运放和匹配度很好的电阻，CMRR 高达105dB 左右。MAX4198/99 就是这样的产品，它的CMRR 为110dB，增益误差优于0.01%，而且采用小体积的8 引脚mMAX 封装。
专用高端检流电路内部包含了完成高端电流检测的所有功能单元，可在高达32V 的共模电压下检测高端电流，并提供与之成比例的、以地电平为参考点的电流输出。需要对电流做精确测量和控制的应用，如电源管理和电池充电控制，都适合采用这种方案。
MAXIM 的高端检流运放中所使用的检流电阻放置在电源的高端和被检测电路的电源输入端之间，检流电阻放在高端不给地线回路增加额外阻抗，这项技术提高了整个电路的性能并简化了布版要求。
MAXIM 推出了一系列双向或单向电流检测IC，有些双向电流检测IC 内置检流电阻，可检测流入或流出被检电路的电流大小并通过一个极性指示引脚显示电流方向。增益可调的电流检测IC、固定增益（+20V/V，+50V/V，或+100V/V）电流检测芯片或包括单双比较器的固定增益电流检测IC，都采用小体积封装，如SOT23，可满足对尺寸要求苛刻的应用。图4 是用MAX4173 构成的高端电流检测电路。
图中输出电压与检流电阻的关系式为：
Vo=RGD*(Iload*Rsense)/RG1)*b 式中b 为镜像电流系数
上式可进一步简化为: Vo=Gain*Rsense*Iload;Gain= b*RGD/RG1
Gain 分别为：20(MAX4173T)，50(MAX4173F)，100(MAX4173H).
通过以上计算公式可看出，CMRR 由内部集成检流电路的工艺决定(典型值90dB），不再受外部电阻的影响。
采用集成检流电路有以下优点：
1、器件的一致性好
2、极好的温漂特性
3、体积小
4、低功耗
5、使用方便
选择检流电阻的注意事项
检流电阻RSENSE 应根据以下几条原则进行选择：
1、电压损耗：检流电阻阻值过大会引起电源电压以IR 的数值降低。为了减少电压损耗，应选用小阻值的检流电阻。
2、精度：较大的检流电阻可以获得更高的小电流的测量精度。这是因为检流电阻上的电压越大，运放的失调电压和输入偏置电流的影响就相对越小。
3、效率和功耗：当电流较大时，RSENSE 上的功耗I2R 就不能忽略。在考虑检流电阻和功耗时，需要注意这一点。如果允许检流电阻发热，则电阻阻值可大一些。
4、电感：如果ISENSE 包含大量高频成分，则检流电阻的电感量要很小。线绕电阻的电感最大，金属膜电阻比较好。
5、成本：如果合适的检流电阻的价格太高，则可采用另一种替代方案(图5）。它采用电路板的印制线作为检流电阻。由于印制板铜线“电阻”并不精确，电路里需要一个电位器调节满量程电流值。另外，铜线的温漂较大(大约为0.4%/℃），在宽温度范围下工作的系统需要考虑这一点。
可调节的线性电流源
可调节线性电流源(图6)是利用高端电流检测器构成的一个典型应用电，IC1 将R1 电流转换成相应比例的电压信号，控制稳压芯片IC2 产生一个稳定的输出电流，D/A 转换器可以提供IOUT 的数字控制。要达到12 BIT 精度(60mA 每LSB)的要求，可使用并行接口的MAX530 或串行接口的MAX531。10 BIT 精度(250mA 每LSB)，则可使用并行接口的MAX503 或串行接口的MAX504。
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