在電機控製、電磁閥控製以及電源管理（如DC/DC轉換器與電池監控）等(deng)諸(zhu)多(duo)應(ying)用(yong)中(zhong)，高(gao)精(jing)度(du)的(de)高(gao)端(duan)電(dian)流(liu)檢(jian)測(ce)都(dou)是(shi)必(bi)需(xu)的(de)。在(zai)這(zhe)種(zhong)應(ying)用(yong)中(zhong)
，對(dui)高(gao)壓(ya)側(ce)電(dian)流(liu)而(er)非(fei)回(hui)路(lu)電(dian)流(liu)進(jin)行(xing)監(jian)控(kong)，可(ke)以(yi)提(ti)高(gao)診(zhen)斷(duan)能(neng)力(li)，如(ru)確(que)定(ding)對(dui)地(di)短(duan)路(lu)電(dian)流(liu)以(yi)及(ji)連(lian)續(xu)監(jian)控(kong)回(hui)流(liu)二(er)級(ji)管(guan)電(dian)流(liu)，避(bi)免(mian)使(shi)用(yong)取(qu)樣(yang)電(dian)阻(zu)
，保(bao)持(chi)接(jie)地(di)的(de)完(wan)整(zheng)性(xing)。圖(tu)1、圖2和圖3分別給出電磁閥控製及電機控製的典型高壓側電流取樣配置。

在上述所有配置中
，監控負載電流的取樣電阻上的PWM共模電壓在從地到電源的範圍內擺動。利用從電源級到FET的控製信號可以確定這個PWM輸入信號的周期、頻率和上升/下降時間。因此，監控取樣電阻上電壓的差分測量電路應具有極高共模電壓抑製與高壓處理能力，以及高增益、高精度和低失調——其目的是為了反映真實的負載電流值。

在使用單一控製FET的電磁閥控製中(見圖1)，電流始終沿同一方向流動

，因此單向電流檢測器就足夠了。在電機控製配置中(見圖2與圖3)，電機相位進行分流意味著取樣電阻中的電流沿著兩個方向流動
，因此
，需要雙向電流檢測器。

圖1  典型電磁閥控製中的高壓側分流
 

許xu多duo半ban導dao體ti供gong應ying商shang都dou為wei高gao壓ya側ce電dian流liu檢jian測ce提ti供gong了le多duo種zhong方fang案an。研yan究jiu這zhe類lei應ying用yong的de設she計ji工gong程cheng師shi發fa現xian
，這zhe些xie方fang案an都dou可ke以yi遵zun循xun兩liang個ge截jie然ran不bu同tong的de高gao壓ya結jie構gou來lai進jin行xing分fen類lei：電流檢測放大器和差動放大器。

圖2  典型H橋電機控製中的高壓側分流


圖3  典型三相電機控製中的高壓側分流
 

接(jie)下(xia)來(lai)
，我(wo)們(men)將(jiang)會(hui)詳(xiang)細(xi)介(jie)紹(shao)這(zhe)兩(liang)種(zhong)架(jia)構(gou)的(de)重(zhong)要(yao)差(cha)異(yi)，以(yi)幫(bang)助(zhu)高(gao)壓(ya)側(ce)電(dian)流(liu)檢(jian)測(ce)設(she)計(ji)工(gong)程(cheng)師(shi)選(xuan)擇(ze)最(zui)適(shi)合(he)應(ying)用(yong)的(de)器(qi)件(jian)。我(wo)們(men)將(jiang)比(bi)較(jiao)兩(liang)個(ge)高(gao)壓(ya)器(qi)件(jian)：雙向差動放大器AD8206和雙向電流檢測放大器AD8210。這兩個器件具有相同的引腳

，都具備高端電流取樣監控功能，但其性能指標與架構卻不同。那麼，如何選擇合適的器件呢
？

圖4  AD8206內部結構示意圖
 

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它們如何工作

AD8206(見圖4)是一款集成的高壓差動放大器,通過內置輸入電阻網絡能夠將輸入電壓削弱至1/16.7
，可承受高達65V的共模電壓，以使共模電壓保持在放大器A1的輸入電壓範圍內。但是，其內部的輸入電阻網絡也會使差分信號以同樣比例衰減。為了實現AD8206的20V/V增益

，放大器A1與A2必須將差分信號放大約334V/V。

這個器件通過將輸出放大器偏置到電源範圍內的適當電壓，來實現雙向輸入測量。電阻分壓網絡與放大器A2同向輸入端連接，外部低阻抗電壓施加到精密配置的電阻分壓網絡
，來實現偏置。AD8206的一個優異特性是：當共模電壓為-2V（相當於250mV的共模偏置電路，如圖4所示）時
，它能夠正確地放大差分輸入電壓。

AD8210(圖5)是最近推出的一款高壓電流檢測放大器，功能與AD8210一樣，並且引腳兼容。但是，AD8210的工作方式與差動放大器不同,其性能指標也不同。

圖5  AD8210功能示意圖

一個明顯的區別是輸入結構不依靠電阻分壓網絡來處理高共模電壓。輸入放大器包括一個采用XFCB IC製作工藝製造的高壓晶體管，由於此類晶體管的VCE擊穿電壓超過65V
，因此輸入端的共模電壓可以高達65V。

電流檢測放大器如AD8210，采用如下方式放大小差分輸入電壓。輸入端通過R1和R2與差動放大器相連。利用晶體管Q1和Q2
，可以調整流過R1和R2的電流
，從而使放大器A1輸入端的電壓為零。當AD8210的輸入信號為0V時，R1和R2zhongdedianliuxiangdeng。dangchafenxinhaofeilingshi，qizhongyigedianzudedianliuzengjia，erlingwaiyigedianzudedianliuxiajiang。dianliuchayushuruxinhaodaxiaochengbili，jixingxiangtong。liuguoQ1和Q2的差分電流由兩個精密調整的電阻轉換成以地為參考的差分電壓。接著，放大器A2利用低壓晶體管——由其5V(典型值)電源供電——對該電壓進行放大
，實現最終輸出增益達到20。

通常，隻有輸入共模電壓保持在2V或3V以上時
，這種架構的電流檢測放大器才有用。不過，AD8210內部的上拉電路能使放大器A1的輸入保持在5 V電源附近。因此

，在共模電壓以及器件的5V電源電壓以下時，可以實現精確的差分輸入電壓測量。

xianeryijian，suirandianliujiancefangdaqihechadongfangdaqigongzuofangshibutong，quelvxingtongyangdegongneng。chadongfangdaqijianggaoshurudianyashuaijian，shixinhaodadaofangdaqikeyijieshoudedianping。dianliujiancefangdaqijiangchafenshurudianyazhuanhuanweidianliu，ranhouzaizhuanhuanzhiyidiweicankaodedianya；其(qi)輸(shu)入(ru)放(fang)大(da)器(qi)因(yin)采(cai)用(yong)高(gao)壓(ya)製(zhi)作(zuo)工(gong)藝(yi)，能(neng)承(cheng)受(shou)高(gao)共(gong)模(mo)電(dian)壓(ya)。毫(hao)無(wu)疑(yi)問(wen)，兩(liang)個(ge)架(jia)構(gou)的(de)不(bu)同(tong)將(jiang)導(dao)致(zhi)其(qi)性(xing)能(neng)差(cha)異(yi)，設(she)計(ji)工(gong)程(cheng)師(shi)在(zai)選(xuan)擇(ze)高(gao)端(duan)電(dian)流(liu)檢(jian)測(ce)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)時(shi)必(bi)須(xu)考(kao)慮(lv)這(zhe)些(xie)性(xing)能(neng)差(cha)異(yi)。通(tong)常(chang)，廠(chang)商(shang)的(de)數(shu)據(ju)手(shou)冊(ce)已(yi)提(ti)供(gong)了(le)大(da)部(bu)分(fen)信(xin)息(xi)

，可(ke)根(gen)據(ju)精(jing)度(du)
、速度


、功gong耗hao及ji其qi他ta參can數shu對dui器qi件jian的de類lei型xing做zuo出chu正zheng確que判pan斷duan。然ran後hou，器qi件jian架jia構gou內nei在zai的de某mou些xie重zhong大da差cha異yi是shi無wu法fa在zai數shu據ju手shou冊ce中zhong立li刻ke發fa現xian的de

，但dan這zhe些xie也ye是shi非fei常chang重zhong要yao的de設she計ji考kao慮lv事shi宜yi。下xia麵mian給gei出chu了le一yi些xie工gong程cheng師shi在zai實shi現xian最zui佳jia解jie決jue方fang案an時shi必bi須xu考kao慮lv的de關guan鍵jian點dian。

帶寬：由於輸入衰減，許多差動放大器的帶寬通常為電流檢測放大器的1/5。不過
，差動放大器較窄的帶寬仍足以支持大多數應用。例如，許多電磁閥控製應用的工作頻率不足20kHz，而電機控製出於噪聲考慮
，通常必須在20kHz以(yi)上(shang)。通(tong)常(chang)，電(dian)磁(ci)閥(fa)控(kong)製(zhi)檢(jian)測(ce)平(ping)均(jun)電(dian)流(liu)，差(cha)動(dong)放(fang)大(da)器(qi)的(de)帶(dai)寬(kuan)非(fei)常(chang)適(shi)合(he)這(zhe)種(zhong)應(ying)用(yong)。另(ling)一(yi)方(fang)麵(mian)，對(dui)於(yu)電(dian)機(ji)控(kong)製(zhi)來(lai)說(shuo)，瞬(shun)時(shi)電(dian)流(liu)非(fei)常(chang)關(guan)鍵(jian)，尤(you)其(qi)是(shi)測(ce)量(liang)電(dian)機(ji)相(xiang)位(wei)時(shi)。因(yin)此(ci)
，具(ju)有(you)較(jiao)寬(kuan)帶(dai)寬(kuan)的(de)電(dian)流(liu)檢(jian)測(ce)器(qi)架(jia)構(gou)將(jiang)更(geng)真(zhen)實(shi)地(di)反(fan)映(ying)實(shi)際(ji)電(dian)機(ji)電(dian)流(liu)。

共模抑製（CMR）：這兩種架構之間輸入結構的差異還導致CMR性能的不同。差動放大器通常具有精密跟蹤精度高達0.01%的輸入電阻。在直流電壓時，這種匹配程度通常確保了80dB CMR。而電流檢測放大器因其晶體管輸入結構
，可以獲得更佳的匹配，因此其CMR不再取決於輸入電阻的匹配，通常可以達到100dB以上
，除非共模電壓較低。例如
，AD8210在輸入共模電壓低於5V時
，能提供的CMR值與差動放大器一樣，為80dB。在這個電壓範圍下，由於其內部存在著上拉電路

，輸入結構具有電阻性，CMR值與0.01%精密電阻匹配性相關。在整個範圍內
，電流檢測結構將提供更好的共模抑製。

外部輸入濾波影響：如果在高端電流檢測應用中使用外部濾波

，架構影響非常大。輸入濾波器的目的是平滑輸入噪聲和電流尖峰，結構通常如圖6所示。

圖6  輸入濾波器

差動放大器的輸入阻抗大於100kΩ。對於AD8206
，Rin=200kΩ
，如果使用 200Ω濾波器電阻，額外增益誤差將在 0.1%以內。假設電阻的公差是1%
，這些外部元件帶來的共模誤差將達-94dB，但可以忽略不計。

雖然電流檢測放大器具有高得多的共模輸入阻抗，為了將差分輸入電壓轉換為電流，其串行輸入電阻通常低於 5kΩ。對於AD8210來說
，差分輸入阻抗Rin=3.5kΩ，在這種情況下
，濾波電阻帶來的附加增益誤差可能高達5.4%！同時，假設外部電阻失配的最差情況
，CMR能下降到59dB。對於最大整體誤差低於2%的器件性能來說
，這是非常大的影響。

因此

，在電流檢測架構中引入輸入濾波器要非常謹慎。當內置電阻在5kΩ以下時，應當使用阻值低於10Ω的(de)濾(lv)波(bo)器(qi)電(dian)阻(zu)
，這(zhe)將(jiang)確(que)保(bao)電(dian)流(liu)檢(jian)測(ce)放(fang)大(da)器(qi)的(de)原(yuan)始(shi)高(gao)精(jing)度(du)。差(cha)動(dong)放(fang)大(da)器(qi)可(ke)采(cai)用(yong)的(de)輸(shu)入(ru)濾(lv)波(bo)電(dian)阻(zu)阻(zu)值(zhi)範(fan)圍(wei)較(jiao)寬(kuan)，因(yin)為(wei)其(qi)內(nei)部(bu)的(de)高(gao)阻(zu)值(zhi)輸(shu)入(ru)電(dian)阻(zu)網(wang)絡(luo)受(shou)外(wai)部(bu)失(shi)配(pei)的(de)影(ying)響(xiang)較(jiao)小(xiao)。

輸入過驅動：在(zai)高(gao)端(duan)電(dian)流(liu)檢(jian)測(ce)應(ying)用(yong)中(zhong)，設(she)計(ji)工(gong)程(cheng)師(shi)必(bi)須(xu)認(ren)真(zhen)考(kao)慮(lv)可(ke)能(neng)使(shi)放(fang)大(da)器(qi)工(gong)作(zuo)在(zai)指(zhi)定(ding)範(fan)圍(wei)以(yi)外(wai)的(de)潛(qian)在(zai)事(shi)件(jian)。在(zai)典(dian)型(xing)應(ying)用(yong)中(zhong)，雖(sui)然(ran)流(liu)經(jing)取(qu)樣(yang)電(dian)阻(zu)的(de)負(fu)載(zai)電(dian)流(liu)僅(jin)數(shu)百(bai)毫(hao)伏(fu)

，但(dan)放(fang)大(da)器(qi)的(de)輸(shu)入(ru)結(jie)構(gou)不(bu)同(tong)
，在(zai)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)為(wei)若(ruo)幹(gan)伏(fu)特(te)的(de)故(gu)障(zhang)情(qing)況(kuang)下(xia)
，器(qi)件(jian)是(shi)否(fou)還(hai)能(neng)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)？在(zai)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)，差(cha)動(dong)放(fang)大(da)器(qi)架(jia)構(gou)具(ju)有(you)更(geng)強(qiang)的(de)魯(lu)棒(bang)性(xing)，一(yi)旦(dan)係(xi)統(tong)次(ci)序(xu)後(hou)退(tui)，更(geng)可(ke)能(neng)繼(ji)續(xu)如(ru)期(qi)地(di)履(lv)行(xing)功(gong)能(neng)。輸(shu)入(ru)電(dian)阻(zu)網(wang)絡(luo)可(ke)以(yi)簡(jian)單(dan)的(de)將(jiang)電(dian)流(liu)流(liu)向(xiang)接(jie)地(di)端(duan)；在65V時，AD8206的輸入端阻抗是200kΩ
，則流向接地端的電流是325μA。

如果使用電流檢測放大器架構，設計人員必須考慮這種潛在問題。在第一個例子情況下
，當輸入電壓大幅擺動時，像AD8210這樣的放大器是無法正常工作的。這種類型的放大器輸入端通常包含靜電放電（ESD）保護二極管。利用大於0.7V的壓差，可以使這個二極管正偏。這個二極管的實際斷點是變化的，但大的差分電壓（如來自汽車電源），通常會給放大器帶來損害。

負壓保護：在(zai)許(xu)多(duo)情(qing)況(kuang)下(xia)
，必(bi)須(xu)保(bao)護(hu)電(dian)流(liu)檢(jian)測(ce)器(qi)免(mian)受(shou)反(fan)向(xiang)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)的(de)損(sun)壞(huai)，尤(you)其(qi)是(shi)在(zai)汽(qi)車(che)應(ying)用(yong)中(zhong)。差(cha)動(dong)放(fang)大(da)器(qi)的(de)電(dian)阻(zu)橋(qiao)輸(shu)入(ru)可(ke)能(neng)是(shi)重(zhong)要(yao)因(yin)素(su)。不(bu)過(guo)，設(she)計(ji)工(gong)程(cheng)師(shi)必(bi)須(xu)核(he)對(dui)器(qi)件(jian)的(de)絕(jue)對(dui)額(e)定(ding)值(zhi)，以(yi)確(que)保(bao)輸(shu)入(ru)ESD二極管僅在較大負壓下導通。

buguo，zaizhezhongqingkuangxia，dianliujiancejiagoubingbushizuiyoude，yinweishurufangdaqijiqixiangyingdeshurujingtiguanjiangzhijieyudadefuyaxianglian。yinweishuruxinhaobuyingdangshoudadeshurufuzhiliudianyadeyingxiang，yinci，dianliujiancefangdaqideshuruESD二極管通常設計成僅在指定輸入電壓範圍的低端以外導通。

除了直流負壓，這種電流檢測器還容易受到負的輸入瞬態負流的影響。在PWM係統中這是一種常見情況，其中電流取樣檢測器隨著內部FET開關導通與關斷，其輸入共模電壓從地到電源電壓之間擺動。同樣
，也必須認真考慮最大絕對額定值，這些值主要由放大器輸入ESD二極管決定。和以前一樣，差動放大器受到高輸入電阻的保護，從本質上講是阻止負的瞬態電流進入。因此
，ESD二極管通常設計為能夠鉗位大的負電壓。但是
，當采用電流檢測架構時，在每個短路瞬間，負瞬態電流能啟動輸入ESD保護
，而通常的設計是：當輸入電壓接近放大器輸入共模額定值時，啟動輸入ESD保護。雖然這種大小的脈衝一般不會損壞AD8210放大器ESD單元，但這方麵的性能因器件不同而異。為了確保不會出現錯誤，在實際係統中應當對這個參數進行測試。

輸入偏置電流：在zai電dian源yuan管guan理li非fei常chang重zhong要yao以yi及ji必bi須xu考kao慮lv少shao量liang泄xie漏lou的de應ying用yong中zhong，兩liang種zhong架jia構gou中zhong的de不bu同tong輸shu入ru結jie構gou都dou要yao求qiu考kao慮lv輸shu入ru偏pian置zhi電dian流liu。例li如ru
，在zai電dian池chi電dian流liu檢jian測ce係xi統tong中zhong，兩liang個ge架jia構gou都dou可ke以yi監jian控kong高gao壓ya側ce電dian流liu。不bu過guo，當dang係xi統tong關guan斷duan且qie電dian流liu檢jian控kong器qi的de電dian源yuan關guan斷duan時shi，雖sui然ran輸shu入ru仍reng然ran與yu電dian池chi相xiang連lian，差cha動dong放fang大da器qi(如AD8206)內部電阻網絡中的固有接地線路將需要偏置電流，以持續耗盡電池電流。另一方麵
，由於輸入共模阻抗非常高(AD8210輸入共模阻抗>5MΩ)

，采用電流檢測架構的放大器不會耗盡電池
，因為在輸入到接地的路徑中幾乎沒有電流。

結論

兩liang種zhong類lei型xing的de電dian流liu檢jian測ce器qi都dou可ke以yi工gong作zuo
，但dan不bu同tong架jia構gou的de優you勢shi卻que取qu決jue於yu截jie然ran不bu同tong的de指zhi標biao折zhe中zhong。對dui於yu瞬shun態tai電dian流liu監jian控kong
，寬kuan帶dai寬kuan的de電dian流liu檢jian測ce放fang大da器qi最zui適shi合he
，但dan差cha動dong放fang大da器qi更geng適shi合he監jian控kong平ping均jun電dian流liu。此ci外wai
，電dian流liu檢jian測ce放fang大da器qi具ju有you最zui小xiao的de輸shu入ru電dian源yuan關guan斷duan偏pian置zhi電dian流liu泄xie漏lou

，因yin此ci非fei常chang適shi合he對dui電dian流liu消xiao耗hao敏min感gan的de電dian源yuan管guan理li應ying用yong。不bu過guo
，采cai用yong外wai部bu濾lv波bo器qi時shi，高gao壓ya側ce電dian流liu檢jian測ce放fang大da器qi的de輸shu入ru結jie構gou可ke能neng限xian製zhi性xing能neng並bing要yao求qiu仔zai細xi檢jian查zha
，以yi確que保bao在zai惡e劣lie應ying用yong環huan境jing使shi用yong時shi不bu超chao過guo絕jue對dui輸shu入ru額e定ding值zhi。