在許多應(yīng)用中都需要精確的高端電流檢測(cè)，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）。在這些應(yīng)用中，高端電流監(jiān)測(cè) - 而不是返回 - 可以提高診斷能力，例如確定接地短路和連續(xù)監(jiān)測(cè)再循環(huán)二極管電流 - 并通過(guò)避免引入來(lái)保持接地路徑的完整性分流電阻。圖1,2和3描述了用于電磁閥和電機(jī)控制的典型高側(cè)電流分流配置。

在上面顯示的所有配置中，分流電阻上的脈沖寬度調(diào)制（PWM）共模電壓 - 監(jiān)視負(fù)載電流 - 從整個(gè)范圍從地面到電池?cái)[動(dòng)。該P(yáng)WM輸入信號(hào)將具有由功率級(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)測(cè)分流電阻兩端電壓的差分測(cè)量電路需要非常高的共模抑制和高壓處理能力的嚴(yán)格組合，以及高增益，高精度和低偏移 - 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，電流始終以相同方向流動(dòng)，因此單向電流傳感器就足夠了。在電機(jī)控制配置中（圖2和圖3），將分流器置于電機(jī)相位意味著分流電阻器中的電流可以雙向流動(dòng);因此，雙向電流傳感器是必要的。

研究高端電流檢測(cè)功能選擇的設(shè)計(jì)人員將從許多半導(dǎo)體供應(yīng)商那里找到各種選擇。然而，一個(gè)關(guān)鍵的發(fā)現(xiàn)是，這些集成電路器件中的選擇可以根據(jù)兩種截然不同的高壓架構(gòu)進(jìn)行分類：電流檢測(cè)放大器和差分放大器

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)高壓部件，AD8206雙向差動(dòng)放大器和AD8210雙向電流檢測(cè)放大器。兩款器件均提供相同的引腳排列，均可執(zhí)行高端電流分流監(jiān)控，但其規(guī)格和架構(gòu)不同。那么，如何考慮哪種設(shè)備最適合應(yīng)用？

工作原理

AD8206（圖4），集成高壓差動(dòng)放大器，通過(guò)使用輸入電阻將輸入電壓衰減16.7：1，可以承受高達(dá)65 V的共模電壓，從而將共模電壓保持在放大器A1的輸入范圍內(nèi)。不幸的是，輸入電阻網(wǎng)絡(luò)也將差分信號(hào)衰減相同的值。為實(shí)現(xiàn)AD8206的20 V / V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.

該器件通過(guò)將輸出放大器偏置到電源范圍內(nèi)的合適電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)雙向輸入測(cè)量。通過(guò)將外部低阻抗電壓施加到連接到A2正輸入的精確調(diào)整的電阻分壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)偏移。該器件的一個(gè)有用特性是，當(dāng)共模電壓負(fù)高達(dá)2 V時(shí)，能夠正確放大差分輸入電壓 - 這是250 mV共模偏置電路的結(jié)果如圖所示。

AD8210（圖5）是最近推出的高壓電流檢測(cè)放大器，提供與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，所得到的規(guī)格與差動(dòng)放大器不同。

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)處理大的共模電壓。輸入放大器包括高壓晶體管，可在XFCB IC制造工藝中使用。由于暴露在此電壓下的所有晶體管的V CE 擊穿超過(guò)65 V，因此輸入端的共模電壓可高達(dá)65 V.

AD8210等電流檢測(cè)放大器以下列方式放大小差分輸入電壓。輸入端子通過(guò)R1和R2連接到差分放大器A1。 A1通過(guò)晶體管Q1和Q2調(diào)節(jié)通過(guò)R1和R2的電流，使出現(xiàn)在其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)非零時(shí)，電流通過(guò)其中一個(gè)電阻增加而另一個(gè)減小。電流差與輸入信號(hào)的大小和極性成比例。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。然后可以通過(guò)放大器A2放大此電壓，這次使用由器件的5V（典型值）電源供電的低壓晶體管，產(chǎn)生最終輸出，總增益為20。

具有這種架構(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以上時(shí)才有用，并且如果應(yīng)用不要求輸入共模電壓一直接地（或以下）。但是，AD8210使用上拉電路將放大器A1的輸入保持在5V電源附近，即使輸入共模電壓低于 5 V，也一直保持在因此，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)放大器在完全不同的情況下執(zhí)行相同的功能。差分放大器衰減高輸入電壓，使信號(hào)達(dá)到放大器可以承受的水平。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)換為以地為參考的電壓;由于其高壓制造工藝，其輸入放大器能夠承受大的共模電壓。兩種架構(gòu)之間的差異自然會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員在選擇高端電流監(jiān)控解決方案時(shí)必須考慮的性能差異。制造商的數(shù)據(jù)表通常提供所需的大部分信息，以便根據(jù)準(zhǔn)確度，速度，功率和其他參數(shù)正確判斷使用哪種類型的設(shè)備。但是，在閱讀數(shù)據(jù)表時(shí)，器件架構(gòu)中固有的一些關(guān)鍵差異并不是很明顯，但它們可能是必不可少的設(shè)計(jì)考慮因素。以下是工程師必須了解的關(guān)鍵點(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，差分放大器的較低帶寬對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)仍然是足夠的。例如，許多電磁控制應(yīng)用的運(yùn)行頻率低于20 kHz，但由于噪聲考慮，電機(jī)控制通常必須在20 kHz或更高頻率下運(yùn)行。電磁閥控制通常涉及查看平均電流，差分放大器的帶寬非常適合該應(yīng)用。另一方面，對(duì)于電機(jī)控制，瞬時(shí)電流是關(guān)鍵，特別是在電機(jī)相位測(cè)量時(shí);因此，具有更高帶寬的電流傳感器架構(gòu)將更真實(shí)地表示實(shí)際電機(jī)電流。

共模抑制：這兩種架構(gòu)之間輸入結(jié)構(gòu)的差異也會(huì)導(dǎo)致CMR性能的差異。差動(dòng)放大器通常具有微調(diào)輸入電阻，跟蹤精度為0.01％。這種匹配程度通常會(huì)在直流時(shí)產(chǎn)生80 dB的CMR保證。具有晶體管輸入結(jié)構(gòu)的電流檢測(cè)放大器可以獲得更好的匹配，因此CMR（不再依賴于輸入電阻匹配）通?？梢灾付ㄔ?00 dB以上，除非共模電壓較低。例如，當(dāng)輸入共模電壓低于5 V時(shí)，AD8210提供與差分放大器相同的80 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)殡娮?因此，CMR再次成為0.01％精密調(diào)整電阻匹配的函數(shù)。但是，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，則該架構(gòu)可能具有很高的影響力。用于平滑輸入噪聲和電流尖峰影響的輸入濾波器通常如圖6所示實(shí)現(xiàn)。

由于每個(gè)器件（無(wú)論其架構(gòu)如何）都具有一定的輸入電阻，因此串聯(lián)的任何外部電阻都會(huì)產(chǎn)生不匹配，導(dǎo)致增益和CMR誤差，通常計(jì)算如下（ R < sub> in 是指定的放大器輸入電阻）：

差動(dòng)放大器的輸入電阻大于100千歐。對(duì)于AD8206，其中 R in = 200 kohm，如果使用200歐姆濾波電阻，額外的增益誤差將為~0.1％。假設(shè)電阻容差為1％，由于這些外部元件引起的共模誤差為-94 dB，因此它的貢獻(xiàn)無(wú)關(guān)緊要，因?yàn)樗旧下駴](méi)在器件的80 dB指定CMR誤差中。

電流檢測(cè)放大器雖然具有更高的共模輸入阻抗，但其輸入串聯(lián)電阻通常低于5 kohm，以便將差分輸入電壓轉(zhuǎn)換為電流。對(duì)于AD8210，必須使用 R = 3.5 kohm（差分輸入阻抗）重新計(jì)算上述公式。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)最壞情況下的外部電阻不匹配，CMR可能下降到59 dB。這對(duì)設(shè)備的性能影響很大，其典型精度提供的最大總誤差小于2％。

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)部電阻為5千歐或更小時(shí)，使用小于10歐姆的濾波電阻。這將確保保持電流檢測(cè)放大器的高原始精度。如上所示，更寬范圍的輸入濾波器電阻值可與差動(dòng)放大器一起使用，因?yàn)楦咧递斎腚娮璨灰资芡獠渴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)致放大器在指定范圍之外工作的潛在事件。在典型的使用中，放大器的輸入意味著僅通過(guò)分流電阻器的負(fù)載電流流動(dòng)引起的幾百毫伏不同，但是設(shè)備是否能夠承受輸入端出現(xiàn)幾伏特的故障條件？在這種情況下，差異放大器架構(gòu)本質(zhì)上更穩(wěn)健，并且一旦系統(tǒng)恢復(fù)正常，就更有可能繼續(xù)按預(yù)期運(yùn)行。輸入電阻網(wǎng)絡(luò)可以簡(jiǎn)單地將電流輸出到地;在65 V時(shí)，AD8206每輸入200 kohm，流通地為325μA。

如果使用電流檢測(cè)架構(gòu)，設(shè)計(jì)人員必須關(guān)注這些潛在問(wèn)題。在第一個(gè)示例的情況下，像AD8210這樣的器件無(wú)法承受輸入端的大電壓擺幅。這些器件通常在輸入之間包括ESD保護(hù)二極管。該二極管通過(guò)大于約0.7V的電壓差正向偏置。該二極管的實(shí)際斷點(diǎn)變化，但是大的差分電壓（例如可從汽車電池獲得的那些）通常會(huì)由于電氣過(guò)載而導(dǎo)致器件損壞。

負(fù)電壓保護(hù)：在許多情況下，必須保護(hù)電流傳感器免受反向電池電壓的影響，尤其是在汽車應(yīng)用中。 差分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)為開(kāi)啟，但僅在較大的負(fù)電壓下。

然而，電流檢測(cè)架構(gòu)在這種情況下并不是最佳的，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的負(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。

此外，除負(fù) dc 電壓外，此類電流監(jiān)視器還可能受到負(fù)輸入瞬變的影響。這通常是PWM系統(tǒng)中的情況，其中當(dāng)控制FET接通和斷開(kāi)時(shí)，電流分流監(jiān)控器的輸入共模電壓從地轉(zhuǎn)向電池。同樣，必須仔細(xì)考慮絕對(duì)最大額定值，這主要取決于器件的輸入ESD二極管。如前所述，差動(dòng)放大器受高輸入電阻的保護(hù)，并且基本上不受負(fù)瞬變的影響。因此，ESD二極管通常設(shè)計(jì)用于鉗制大的負(fù)電壓。但是，當(dāng)使用電流檢測(cè)架構(gòu)時(shí)，即使持續(xù)時(shí)間非常短的負(fù)瞬態(tài)也會(huì)使輸入ESD保護(hù)跳閘，該保護(hù)設(shè)計(jì)為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)復(fù)雜情況，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甚至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，在電池電流感應(yīng)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)閉并且當(dāng)前監(jiān)視器的電源關(guān)閉時(shí)，輸入仍然連接到電池，電阻輸入中固有的接地路徑差分放大器的網(wǎng)絡(luò)（如AD8206）需要一個(gè)繼續(xù)消耗電池電流的偏置電流。另一方面，由于具有非常高的輸入共模阻抗（AD8210> 5 Mohm），使用電流檢測(cè)架構(gòu)的器件不會(huì)耗盡電池電流，因?yàn)閹缀鯖](méi)有電流會(huì)通過(guò)其輸入流到地。

結(jié)論

高端電流檢測(cè)是汽車，電信，消費(fèi)和工業(yè)應(yīng)用中的普遍要求?，F(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)查看哪種類型的電流傳感器最適合其系統(tǒng)。典型的考慮因素總結(jié)在下表中。

兩種類型的電流監(jiān)視器都能完成這項(xiàng)工作，但不同架構(gòu)所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)伴隨著明顯的權(quán)衡。對(duì)于瞬時(shí)電流監(jiān)測(cè)，電流檢測(cè)放大器的寬帶寬是最合適的，而監(jiān)測(cè)平均電流的應(yīng)用可以通過(guò)差分放大器拓?fù)淙菀椎靥峁?。此外，?duì)電流消耗敏感的電源管理應(yīng)用受益于電流檢測(cè)放大器，其最小輸入斷電偏置電流消耗。但是，高端電流檢測(cè)放大器的輸入結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)外部濾波器時(shí)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。