使用集成雙向電流檢測(cè)放大器實(shí)現(xiàn)有效的電流監(jiān)控-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯使用集成雙向電流檢測(cè)放大器實(shí)現(xiàn)有效的電流監(jiān)控-設(shè)計(jì)應(yīng)用越來(lái)越多的應(yīng)用需要快速準(zhǔn)確地進(jìn)行電流監(jiān)控，包括自動(dòng)駕駛汽車、工廠自動(dòng)化和機(jī)器人技術(shù)、通信、服務(wù)器電源管理、D類音頻放大器和醫(yī)療系統(tǒng)。在許多這樣的應(yīng)用中，都要求進(jìn)行雙向電流檢測(cè)，而且需要以很小的成本有效地實(shí)現(xiàn)這一a目的。

雖然可以使用一對(duì)單向電流檢測(cè)放大器(CSA)構(gòu)建一個(gè)雙向電流檢測(cè)放大器(CSA)，但構(gòu)建過(guò)程可能復(fù)雜、耗時(shí)。該過(guò)程會(huì)涉及到將兩個(gè)輸出合并成一個(gè)單端輸出的獨(dú)立軌至軌運(yùn)算放大器，或者在微控制器上使用兩個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)輸入，后者需要額外的微控制器編碼和機(jī)器周期。很后，使用兩個(gè)單向CSA構(gòu)建雙向CSA——再加上將其整合為雙向解決方案所需的額外部件，這將消耗更多的電路板空間，而更多的器件會(huì)降低可靠性，增大庫(kù)存需求。很終可能導(dǎo)致成本和設(shè)計(jì)進(jìn)度雙雙超出預(yù)期。

為避免上述情況發(fā)生，設(shè)計(jì)人員可以采用集成、高速、jing確的雙向CSA。設(shè)計(jì)人員可以選擇帶有內(nèi)部低電感分流電阻的集成雙向CSA構(gòu)成很緊湊的解決方案，或者選擇使用外部分流器的CSA實(shí)現(xiàn)更靈活的設(shè)計(jì)和布局。

本文將回顧雙向CSA的實(shí)施要求和更高集成度方法的優(yōu)勢(shì)。然后以來(lái)自STMicroelectronics、TexasInstruments,和AnalogDevices的器件為例進(jìn)行詳細(xì)介紹，其中包括各器件的關(guān)鍵參數(shù)和各自的不同特征。很后，本文將展示如何使用這些器件開始設(shè)計(jì)，包括相關(guān)的參考設(shè)計(jì)/評(píng)估套件/開發(fā)套件，以及設(shè)計(jì)和實(shí)施技巧。

如何使用兩個(gè)單向CSA

雙向CSA電路可以用兩個(gè)單向CSA以多種方式構(gòu)建（圖1）。左側(cè)示例中使用的AnalogDevicesMAX4172ESAT不含內(nèi)部負(fù)載電阻，因此使用分立器件Ra和Rb。在右側(cè)示例中，MAX4173TEUTT內(nèi)含一個(gè)12kΩ負(fù)載電阻，可將其電流輸出轉(zhuǎn)換成電壓。

外部負(fù)載電阻圖（左），或具有內(nèi)部負(fù)載電阻的圖（右）（點(diǎn)擊放大）。

圖1：可通過(guò)使用外部負(fù)載電阻或內(nèi)部負(fù)載電阻（右）的方式實(shí)現(xiàn)由兩個(gè)單向電流檢測(cè)放大器構(gòu)成的雙向電流檢測(cè)應(yīng)用。（圖片：AnalogDevices）

雖然不需要兩個(gè)負(fù)載電阻，但MAX4173TEUTT電路的反饋中增加了一個(gè)1nF電容，以穩(wěn)定B部分的控制回路。在這兩種情況下，使用MAX4230AXKT通用運(yùn)算放大器將來(lái)自兩個(gè)CSA的輸出電流合并。

這兩種方法的零件數(shù)都高于使用單一雙向CSA時(shí)的零件數(shù)量。除了零件數(shù)量較多外，由于兩個(gè)單向CSA需要放置在靠近VSENSE電阻的地方，會(huì)導(dǎo)致PC板布局更加復(fù)雜。

使用雙向CSA的應(yīng)用實(shí)例

雙向CSA是多功能器件，應(yīng)用廣泛。例如，在三相伺服電機(jī)系統(tǒng)中，可使用兩個(gè)CSA來(lái)確定所有三相的瞬時(shí)繞組電流，而不需要進(jìn)行任何進(jìn)一步計(jì)算，也不需要任何有關(guān)脈寬調(diào)制(PWM)脈沖相位或占空比的信息（圖2）。

兩個(gè)雙向CSA可連接相位1(RSENSEΦ1)和相位2（RSENSEΦ2）的檢測(cè)電阻的圖（點(diǎn)擊放大）。

圖2：在三相伺服電機(jī)應(yīng)用中，兩個(gè)雙向CSA可以連接相位1(RSENSEΦ1)和相位2（RSENSEΦ2）的檢測(cè)電阻，以產(chǎn)生可以代表第三相繞組中的電流的電壓。（圖片：AnalogDevices）

根據(jù)基爾霍夫定律，前兩個(gè)繞組的電流之和等于第三個(gè)繞組的電流。該電路使用兩個(gè)MAX40056TAUA雙向CSA來(lái)測(cè)量?jī)上嚯娏?，并由MAX44290ANTT通用運(yùn)算放大器進(jìn)行電流求和。由于所有三個(gè)放大器都有相同的參考電壓，因此產(chǎn)生了比率測(cè)量法。

在另一個(gè)示例中，一個(gè)D類音頻放大器，一個(gè)雙向CSA，如TexasInstruments的INA253A1IPW可以用來(lái)準(zhǔn)確測(cè)量揚(yáng)聲器的負(fù)載電流（圖3）。

TexasInstruments的雙向CSA(INA253)的圖（點(diǎn)擊放大）

圖3：在D類音頻設(shè)計(jì)中，可使用雙向CSA(INA253)對(duì)揚(yáng)聲器進(jìn)行增強(qiáng)和診斷。（圖片：TexasInstruments）

揚(yáng)聲器負(fù)載電流的實(shí)時(shí)測(cè)量值可用于診斷，并通過(guò)量化關(guān)鍵的揚(yáng)聲器參數(shù)和這些參數(shù)的變化對(duì)放大器進(jìn)行性能優(yōu)化，具體包括：

線圈電阻

揚(yáng)聲器阻抗

共振頻率和共振頻率下的峰值阻抗

揚(yáng)聲器的實(shí)時(shí)環(huán)境溫度

電路板布局技巧和分流器注意事項(xiàng)

在實(shí)施電流檢測(cè)電路時(shí)，寄生電阻和電感是值得關(guān)注的問(wèn)題。此外，過(guò)度焊接和寄生電阻也會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)錯(cuò)誤。通常使用四端子電流檢測(cè)電阻。如果不選擇四端子電阻，則應(yīng)使用開爾文pc板布局技術(shù)（圖4）。

開爾文檢測(cè)跡線應(yīng)靠近焊接接觸焊盤

圖4：開爾文檢測(cè)跡線應(yīng)盡可能靠近電流檢測(cè)電阻上的焊接接觸焊盤。（圖片：AnalogDevices）

將開爾文檢測(cè)跡線置于盡可能靠近電流檢測(cè)電阻的焊接接觸點(diǎn)的位置會(huì)很大限度地減少寄生電阻。開爾文檢測(cè)跡線的間距越大，就越會(huì)出現(xiàn)由于額外跡線電阻造成的測(cè)量誤差。

正確選擇檢測(cè)電阻是將寄生電感降至很小的一個(gè)重要方面。由于電壓誤差與負(fù)載電流成正比，因此應(yīng)盡量減少封裝電感。一般來(lái)說(shuō)，繞線電阻的電感值很大，標(biāo)準(zhǔn)金屬膜器件的電感值處于中等水平。對(duì)于電流檢測(cè)應(yīng)用，一般推薦使用低電感金屬膜電阻。

分流電阻的值是在動(dòng)態(tài)范圍和功率耗散之間進(jìn)行權(quán)衡的結(jié)果。對(duì)于大電流檢測(cè)，建議使用低值分流器，以盡量減少熱耗散(I?R)。在低電流檢測(cè)中，使用較大的電阻值能夠?qū)⑹д{(diào)電壓對(duì)檢測(cè)電路的影響降至很低。

大多數(shù)CSA依靠外部分流器測(cè)量電流，但也有一些CSA使用內(nèi)部分流器。雖然使用內(nèi)部分流器的設(shè)計(jì)外形更緊湊，器件更少，但需要進(jìn)行一些權(quán)衡，具體包括：由于分流器值預(yù)先確定，所以靈活性較差；相比外部分流器，需要更大的靜態(tài)電流；可測(cè)量的電流大小會(huì)受到內(nèi)部分流器容量的限制。

高電壓精密雙向CSA

使用STMicroelectronics的TSC2022IST，設(shè)計(jì)人員可以充分發(fā)揮其精密特性，使用低電阻外部分流器，從而很大限度地減少功率耗散（圖5）。這款雙向CSA旨在為數(shù)據(jù)采集、電機(jī)控制、螺線管控制、儀表、測(cè)試和測(cè)量以及過(guò)程控制等應(yīng)用提供jing確的電流測(cè)量。

STMicroelectronics的TSC2022IST包括一個(gè)關(guān)斷引腳(SHDN)的圖

TSC2022IST包括一個(gè)關(guān)斷引腳(SHDN)，可以很大限度地節(jié)能，其工作溫度為-40至125℃。（圖片：STMicroelectronics）

TSC2022IST的放大器增益為60V/V，集成了電磁干擾(EMI)濾波器，具有2(kV)人體模型(HBM)靜電放電(ESD)容限（根據(jù)JEDECJESD22-A114F標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定）。TSC2022可以檢測(cè)到低至10mV的滿量程電壓降，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定測(cè)量。憑借750kHz增益帶寬積和7.0V/?s壓擺率，該器件確保了高jing確度和快速響應(yīng)。

設(shè)計(jì)人員可以借助STEVAL-AETKT1V2評(píng)估板快速上手TSC2022IST（圖6）。該器件可以在-20V到70V的寬共模電壓范圍內(nèi)檢測(cè)電流。TSC2022IST的特點(diǎn)：

增益誤差：很大0.3%

失調(diào)漂移：很大5?V/?C

增益漂移：很大10ppm/?C

靜態(tài)電流：關(guān)斷模式下20?A

STMicroelectronics的STEVAL-AETKT1V2評(píng)估板的圖片

STEVAL-AETKT1V2評(píng)估板包括主板和一個(gè)包含TSC2022IST的子卡。（圖片：STMicroelectronics）

內(nèi)部雙向分流CSA

TexasInstruments的INA253A1IPW集成了一個(gè)2mΩ、0.1%低電感分流器，支持高達(dá)80V的共模電壓（圖7）。INA253A1IPW為設(shè)計(jì)人員提供了可抑制大dv/dt信號(hào)的增強(qiáng)型PWM抑制電路，從而實(shí)現(xiàn)了針對(duì)如電機(jī)驅(qū)動(dòng)、螺線管控制等應(yīng)用的連續(xù)、實(shí)時(shí)的電流測(cè)量。內(nèi)部放大器具有精密的零漂移拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且共模抑制率(CMRR)大于120dBDCCMRR和90dBACCMRR（50kHz時(shí)）。

TexasInstruments的INA253A1IPW雙向CSA的圖片

典型應(yīng)用中的INA253A1IPW雙向CSA。該器件具有內(nèi)部分流器，可在-40至85?C的溫度范圍內(nèi)測(cè)量?15A連續(xù)電流。（圖片：TexasInstruments）

通過(guò)使用相關(guān)的INA253EVM評(píng)估板上的測(cè)試點(diǎn)訪問(wèn)INA253A1IPW的功能引腳，設(shè)計(jì)人員就可以加快基于該CSA的系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)（圖8）。這種雙層板的尺寸為2.4?4.2英寸，用1oz的銅制作而成。

該雙層INA253EVM器件的尺寸為2.4?4.2英寸，用1oz的銅制作而成。該器件的底層沒有任何元件，只是一個(gè)堅(jiān)實(shí)的銅制地平面，用來(lái)為返回電流提供低阻抗路徑。（圖片：TexasInstruments）

該pc板上包括了很小的支持電路，并且可以根據(jù)需要重新配置、移除或旁路掉各種功能。INA253EVM具有以下功能：

三個(gè)INA253A1IPW器件

所有針腳都易于接觸

在整個(gè)-40至85?C的溫度范圍內(nèi)，支持?15A的電流通過(guò)INA253CSA的電路板布局和結(jié)構(gòu)

將支座放在pc板上，可用于除默認(rèn)配置外的其他配置

該器件的底層沒有任何元件，只是一個(gè)堅(jiān)實(shí)的銅制地平面，用來(lái)為返回電流提供低阻抗路徑。

獲得AEC-Q100認(rèn)可的雙向CSA

為了監(jiān)測(cè)全橋電機(jī)控制、開關(guān)電源、螺線管和電池組以及汽車應(yīng)用中的電流，設(shè)計(jì)人員可使用AnalogDevices的LT1999IMS8-20#TRPBF

LT1999IMS8-20#TRPBF是全橋電樞電流監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的雙向CSA。（圖片：AnalogDevices）

LT1999IMS8-20#TRPBF符合汽車應(yīng)用的AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)，包括了一個(gè)關(guān)斷模式，可很大限度地降低功耗。該器件使用外部分流器來(lái)測(cè)量電流的方向和大小。該器件可按比例產(chǎn)生一個(gè)輸出電壓，該值是位于電壓和地之間的參考中間值。設(shè)計(jì)人員可以選擇使用外部電壓來(lái)設(shè)置參考電平。

當(dāng)VSHDN（引腳8）被驅(qū)動(dòng)至0.5V地電壓時(shí)，LT1999IMS8-20#TRPBF進(jìn)入電流消耗約3μA的低功耗關(guān)斷狀態(tài)。如果輸入引腳（IN和-IN）經(jīng)過(guò)偏置后在0至80V之內(nèi)（不施加差分電壓），其電流消耗約1nA。內(nèi)部1階差分低通EMI抑制濾波器降低了EMI敏感性，有助于消除超出器件帶寬的高頻信號(hào)。

為了方便測(cè)試LT1999系列，AnalogDevices提供1698A演示板。該板放大了板載電流檢測(cè)電阻器上的電壓降，并產(chǎn)生一個(gè)與流經(jīng)該電阻器的電流成比例的雙向輸出電壓。設(shè)計(jì)人員可選擇三種固定增益：10V/V(DC1698A-A)、20V/V(DC1698A-B)和50V/V(DC1698A-C)。

具有PWM抑制功能的雙向CSA

為了在控制諸如螺線管和電機(jī)等感性負(fù)載的設(shè)計(jì)中改善對(duì)共模輸入PWM邊沿的抑制，設(shè)計(jì)人員可以使用MAX40056TAUA（圖10）。如上文圖2中所述，MAX40056TAUA是雙向CSA，可以處理?500V/?s及以上的壓擺率。該器件的典型CMRR為60dB（50V，?500V/?s輸入）和140dBDC。其共模范圍從-0.1V到65V，并提供針對(duì)低至-5V電感回跳電壓的保護(hù)。

MaximMAX40056TAUA包括一個(gè)內(nèi)部1.5V參考電壓的圖

圖10：MAX40056TAUA包括一個(gè)內(nèi)部1.5V電壓基