最近，一位工程師要求一種解決方案，以提供20A負(fù)載的高邊監(jiān)控，其精確的過(guò)流檢測(cè)閾值優(yōu)于5%。沒(méi)有易于獲取的現(xiàn)成解決方案能夠使用精度低于5%的低值檢測(cè)電阻器！為什么是5%？10%可以嗎？對(duì)于 20A 負(fù)載，10% 的電流限制將導(dǎo)致跳閘門(mén)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(yīng)用筆記中，我們討論了實(shí)現(xiàn)5%精度的挑戰(zhàn)，并提出了一種解決方案，該解決方案可提供高端電流檢測(cè)放大器過(guò)流保護(hù)方案所需的精度。

概述

電流檢測(cè)放大器（CSA）可以使用多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中兩種拓?fù)淙鐖D1所示。 和 2.在圖1中，運(yùn)算放大器（運(yùn)算放大器）配置為差分放大器，用于放大 在電流檢測(cè)分流電阻器兩端產(chǎn)生的差分電壓。有一些應(yīng)用程序 低側(cè)電流檢測(cè)的使用有限制;但是，本應(yīng)用筆記不會(huì)討論這些情況。請(qǐng)參考Maxim應(yīng)用筆記746：“高端電流檢測(cè)：電路和原理”，了解有關(guān)低側(cè)電流檢測(cè)與高端電流檢測(cè)的更多詳細(xì)信息 電流檢測(cè)。

差分放大器拓?fù)涞闹饕拗剖荝1與R4的電阻比匹配，該匹配設(shè)置了 差分增益和共模增益誤差兩個(gè)方程決定了精度誤差的主要來(lái)源 電路。公式1是圖1增益的公式，公式2詳細(xì)說(shuō)明了共模增益誤差。公式 3 用于計(jì)算 V外對(duì)于圖 1。

當(dāng)R1至R4使用1%電阻時(shí)，測(cè)量電流的總誤差將大于5%，并且 使用最壞情況公差計(jì)算誤差。因此，需要降低公差。 電阻器的費(fèi)用更高。這種方法的主要缺點(diǎn)是對(duì)精密電阻的要求 嚴(yán)格容差R4/R3和R2/R1的比率值，以克服對(duì)更高共模電壓的誤差敏感性。

圖1.基于運(yùn)算放大器的差分放大器。

圖 2 顯示了用于設(shè)計(jì) CSA 的另一種常見(jiàn)拓?fù)洹２捎眠@種方法，電流檢測(cè)分流電阻 仍然用于檢測(cè)負(fù)載電流。然后，檢測(cè)電阻兩端產(chǎn)生的電壓在R1上鏡像，該電流被傳輸?shù)絉。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(guò)程中，可以輕松消除比率誤差。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化了對(duì)緊密匹配電阻比的要求，這對(duì)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(fā)現(xiàn)的共模電壓誤差。為了盡量減少錯(cuò)誤，R2 = R1 有助于取消 排除由輸入偏置電流引起的任何失調(diào)誤差。

圖2.Maxim電流檢測(cè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

設(shè)計(jì)解決方案的步驟

設(shè)計(jì)一個(gè)能夠最大限度地降低高邊CSA整體測(cè)量誤差的解決方案，首先要設(shè)計(jì)一個(gè)基本的電路圖，如圖3所示。

圖3.過(guò)流檢測(cè)電路。

有多種方法可以設(shè)計(jì)電路來(lái)解決相同的問(wèn)題。圖 3 中描述的解決方案使用更多 超過(guò)一個(gè) IC。然而，在開(kāi)始設(shè)計(jì)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(cè)功能（圖4）。

圖4.MAX4373/MAX4374/MAX4375功能電路圖

MAX4373集成CSA、0.6V內(nèi)部基準(zhǔn)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(fù)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(guò)來(lái)又簡(jiǎn)化了實(shí)施 方框圖。圖5所示為典型的過(guò)流保護(hù)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(zhuǎn)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(guò)流保護(hù)電路

雖然MAX4373提供了一個(gè)有趣的選擇，但最好進(jìn)行并排比較以確定 最佳解決方案。將所有必需的參數(shù)輸入電子表格后，很明顯，MAX4373 解決方案不會(huì)提供比 5% 最壞情況精度更好的結(jié)果。使用MAX9938進(jìn)行類似的練習(xí)，我們發(fā)現(xiàn)該選項(xiàng)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(yīng)用筆記不詳細(xì)介紹MOSFET和MOSFET驅(qū)動(dòng)器/故障邏輯電路的設(shè)計(jì)和選擇。 由于該文件主要是關(guān)于檢測(cè)過(guò)電流的準(zhǔn)確性。學(xué)習(xí)控制 MOSFET，請(qǐng)參考Maxim應(yīng)用筆記4501、265、4415和2015。

我們的解決方案的設(shè)計(jì)要求如下：

V 電源 = 12V ±10%，（最小 10.8V /最大值 13.2V）

最大負(fù)載電流 = 20A

20A = ±5% 或 ±1A 時(shí)的最大電流限制精度

響應(yīng)時(shí)間也很重要，因?yàn)樗€可能影響精度和電路保護(hù)可靠性。請(qǐng)注意， 為該解決方案選擇的比較器具有非?？斓捻憫?yīng)時(shí)間，如表1所示。

選擇電流檢測(cè)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(lián)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(duì)于要求最小電壓和功率損耗的設(shè)計(jì)，請(qǐng)使用最低的 R意義值可能，同時(shí)保持在總體精度目標(biāo)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(diào)電壓和 R意義價(jià)值。然而，這里有一個(gè)權(quán)衡 在選擇較小的電流檢測(cè)電阻器（以增加增益為代價(jià)）和更高的電流檢測(cè)電阻器之間 值檢流電阻，但代價(jià)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(diào)電壓的影響。像這樣的高電流檢測(cè)應(yīng)用可以 產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的I2R 中的功率損耗意義.對(duì)于此設(shè)計(jì)，0.00125Ω檢測(cè)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(qǐng)注意，表 2 已構(gòu)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(zhǔn)設(shè)定 電壓為2.5V。MAX9938的CSA增益選項(xiàng)為25、50、100和200。請(qǐng)注意，對(duì)于1.25V基準(zhǔn)， 使用相同的檢測(cè)電阻可將所需增益降低兩倍。對(duì)于此示例， 我們采用2.5V基準(zhǔn)。

表 2.電流檢測(cè)電阻器選項(xiàng)

如前所述，從 100 的 CSA 增益開(kāi)始，以最大限度地減少整個(gè)檢測(cè)的壓降和功率損耗 電阻器。為了設(shè)計(jì)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(zhǔn)和MAX9938精密CSA。MAX9938采用類似的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如 圖2.許多其他具有更低直流誤差的合適CSA可用于此設(shè)計(jì)。例如 MAX44284是另一個(gè)絕佳的選擇，具有±27μV的最大輸入失調(diào)電壓和 最大增益誤差為0.26%。當(dāng)RS值為0.00125Ω時(shí)，CSA的理想線性響應(yīng)為125mV/A， 對(duì)于一個(gè) 20A 負(fù)載，產(chǎn)生一個(gè) 2.5V 的 CSA 輸出。請(qǐng)注意，可用的標(biāo)準(zhǔn)值檢流電阻可能不同 來(lái)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(diǎn)，無(wú)需調(diào)整。用 設(shè)計(jì)電子表格以輸入其他值并快速重新計(jì)算新的行程點(diǎn)。表3和表4顯示了CSA和比較器的數(shù)據(jù)手冊(cè)誤差。這些參數(shù)在錯(cuò)誤預(yù)算電子表格中使用。

表 3.MAX9938電流檢測(cè)放大器誤差

表 4.MAX9053A比較器門(mén)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(shè)計(jì)電子表格節(jié)省時(shí)間

使用電子表格計(jì)算錯(cuò)誤可以節(jié)省寶貴的時(shí)間，尤其是在需要更改時(shí)。圖6顯示了一個(gè)電子表格，用于根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)中的最壞情況誤差計(jì)算總誤差。根 平方和 （RSS） 分析，其中總誤差是單個(gè)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(gè)隨機(jī)分布（正態(tài)分布或 高斯）測(cè)量，所得分布的標(biāo)準(zhǔn)差等于 初始分布標(biāo)準(zhǔn)差的平方和。因?yàn)閭€(gè)別錯(cuò)誤來(lái)源 不相關(guān)，RSS 方法可能比最壞情況的方法更現(xiàn)實(shí)（如 CSA 的情況）。為 此電子表格根據(jù)最差增益誤差、失調(diào)誤差和檢測(cè)計(jì)算 CSA 的電壓輸出 電阻容差和溫度漂移。接下來(lái)，計(jì)算最差情況比較器跳變電平并執(zhí)行 基于這兩個(gè)值的誤差計(jì)算。理想情況下，誤差高于 RSS 方法的誤差。因?yàn)?使用最壞情況誤差，本例中計(jì)算的誤差小于5%，實(shí)際實(shí)際誤差應(yīng)為 小于計(jì)算的最壞情況誤差。請(qǐng)注意，由于 CMMR 引起的任何錯(cuò)誤都不包括在內(nèi)，因?yàn)檫@些錯(cuò)誤 根據(jù)數(shù)據(jù)表檢查，錯(cuò)誤微不足道。Maxim應(yīng)用筆記5095：“直流誤差預(yù)算計(jì)算器簡(jiǎn)化了最佳檢流放大器的選擇”提供了另一個(gè)優(yōu)點(diǎn) 使用 RSS 方法計(jì)算 CSA 中的 DC 誤差預(yù)算的文檔。圖 6 電子表格還 包括用于確定過(guò)流跳變點(diǎn)的比較器的誤差。

圖6.錯(cuò)誤預(yù)算設(shè)計(jì)電子表格。

總結(jié)

CSA 可用于廣泛的應(yīng)用。為了最大限度地減少整體測(cè)量誤差，在使用CSA進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，了解應(yīng)用權(quán)衡至關(guān)重要。在本應(yīng)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(gè)易于使用的電子表格中。

審核編輯：郭婷