電(dian)流(liu)的(de)檢(jian)測(ce)有(you)兩(liang)種(zhong)基(ji)本(ben)的(de)方(fang)案(an)。一(yi)種(zhong)是(shi)測(ce)量(liang)電(dian)流(liu)流(liu)過(guo)的(de)導(dao)體(ti)周(zhou)圍(wei)的(de)磁(ci)場(chang)，另(ling)一(yi)種(zhong)是(shi)在(zai)電(dian)流(liu)路(lu)徑(jing)中(zhong)插(cha)入(ru)一(yi)個(ge)小(xiao)電(dian)阻(zu)，然(ran)後(hou)測(ce)量(liang)電(dian)阻(zu)上(shang)的(de)壓(ya)降(jiang)。第(di)一(yi)種(zhong)方(fang)法(fa)不(bu)會(hui)引(yin)起(qi)幹(gan)擾(rao)或(huo)引(yin)入(ru)插(cha)損(sun)
，但(dan)成(cheng)本(ben)相(xiang)對(dui)比(bi)較(jiao)昂(ang)貴(gui)

，而(er)且(qie)容(rong)易(yi)產(chan)生(sheng)非(fei)線(xian)性(xing)效(xiao)應(ying)和(he)溫(wen)度(du)係(xi)數(shu)誤(wu)差(cha)。因(yin)此(ci)磁(ci)場(chang)檢(jian)測(ce)方(fang)法(fa)通(tong)常(chang)局(ju)限(xian)於(yu)能(neng)夠(gou)承(cheng)受(shou)與(yu)無(wu)插(cha)損(sun)相(xiang)關(guan)的(de)較(jiao)高(gao)成(cheng)本(ben)的(de)應(ying)用(yong)。

 

benwenzhuyaotaolunbandaotixingyezhongyijingdedaoyingyongdedianzujiancejishu，tanengweigezhongyingyongtigongjingqueqiegaoxingjiabidezhiliudianliuceliangjieguo。benwenhaijieshaolegaobianhedibianjianceyuanli
，bingtongguoshijilizibangzhushejishixuanzeshihezijiyingyongdezuijiafangfa。

 

 

在(zai)電(dian)流(liu)路(lu)徑(jing)中(zhong)以(yi)串(chuan)聯(lian)的(de)方(fang)式(shi)插(cha)入(ru)一(yi)個(ge)低(di)阻(zu)值(zhi)的(de)檢(jian)測(ce)電(dian)阻(zu)會(hui)形(xing)成(cheng)一(yi)個(ge)小(xiao)的(de)電(dian)壓(ya)降(jiang)，該(gai)壓(ya)降(jiang)可(ke)被(bei)放(fang)大(da)從(cong)而(er)被(bei)當(dang)作(zuo)一(yi)個(ge)正(zheng)比(bi)於(yu)電(dian)流(liu)的(de)信(xin)號(hao)。然(ran)而(er)，根(gen)據(ju)具(ju)體(ti)應(ying)用(yong)環(huan)境(jing)和(he)檢(jian)測(ce)電(dian)阻(zu)的(de)位(wei)置(zhi)
，這(zhe)種(zhong)技(ji)術(shu)將(jiang)對(dui)檢(jian)測(ce)放(fang)大(da)器(qi)造(zao)成(cheng)不(bu)同(tong)的(de)挑(tiao)戰(zhan)。

 

比如將檢測電阻放在負載和電路地之間，那麼該電阻上形成的壓降可以用簡單的運放進行放大(見圖1B)。這種方法被稱為低邊電流檢測
，與之相對應的方法為高邊檢測，即檢測電阻放在電源和負載之間(見圖1A)。

 

圖1：上麵簡化的框圖描述了一種基本的高邊檢測電路(圖1A)和一種基本的低邊檢測電路(圖1B)。

 

檢jian測ce電dian阻zu值zhi應ying盡jin可ke能neng低di，以yi保bao持chi功gong耗hao可ke控kong，但dan也ye要yao足zu夠gou大da，以yi便bian產chan生sheng能neng被bei檢jian測ce放fang大da器qi檢jian測ce到dao並bing在zai目mu標biao精jing度du內nei的de電dian壓ya。值zhi得de注zhu意yi的de是shi，在zai檢jian測ce電dian阻zu上shang得de到dao的de這zhe種zhong差cha分fen檢jian測ce信xin號hao寄ji生sheng在zai一yi個ge共gong模mo電dian壓ya上shang，這zhe個ge共gong模mo電dian壓ya對dui低di邊bian檢jian測ce方fang法fa來lai說shuo接jie近jin地di電dian平ping(0V)，但(dan)對(dui)高(gao)邊(bian)檢(jian)測(ce)方(fang)法(fa)來(lai)說(shuo)就(jiu)接(jie)近(jin)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)。這(zhe)樣(yang)
，測(ce)量(liang)放(fang)大(da)器(qi)的(de)輸(shu)入(ru)共(gong)模(mo)電(dian)壓(ya)範(fan)圍(wei)對(dui)低(di)邊(bian)方(fang)案(an)來(lai)說(shuo)應(ying)包(bao)含(han)地(di)，對(dui)高(gao)邊(bian)方(fang)案(an)來(lai)說(shuo)應(ying)包(bao)含(han)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)。

 

由於低邊檢測時的共模電壓接近地電平，因此電流檢測電壓可以用一個低成本、低(di)電(dian)壓(ya)的(de)運(yun)放(fang)進(jin)行(xing)放(fang)大(da)。低(di)邊(bian)電(dian)流(liu)檢(jian)測(ce)簡(jian)單(dan)且(qie)成(cheng)本(ben)低(di)，但(dan)許(xu)多(duo)應(ying)用(yong)不(bu)能(neng)容(rong)忍(ren)由(you)於(yu)檢(jian)測(ce)電(dian)阻(zu)引(yin)入(ru)的(de)地(di)線(xian)幹(gan)擾(rao)。較(jiao)高(gao)的(de)負(fu)載(zai)電(dian)流(liu)會(hui)使(shi)問(wen)題(ti)更(geng)加(jia)嚴(yan)重(zhong)，因(yin)為(wei)係(xi)統(tong)中(zhong)地(di)電(dian)平(ping)被(bei)低(di)邊(bian)電(dian)流(liu)檢(jian)測(ce)偏(pian)移(yi)的(de)某(mou)個(ge)模(mo)塊(kuai)可(ke)能(neng)需(xu)要(yao)與(yu)地(di)電(dian)位(wei)沒(mei)變(bian)的(de)其(qi)他(ta)模(mo)塊(kuai)進(jin)行(xing)通(tong)信(xin)。

 

為了更好地理解這個問題，可以看一下圖2中采用低邊電流檢測技術的“智能電池”充電器，其中AC/DC轉換器的輸出連接到了“2線”智能電池。

 

圖2：采用低邊電流檢測技術的“智能電池”。

 

這(zhe)種(zhong)電(dian)池(chi)通(tong)常(chang)采(cai)用(yong)單(dan)線(xian)來(lai)傳(chuan)遞(di)指(zhi)示(shi)電(dian)池(chi)狀(zhuang)態(tai)的(de)電(dian)池(chi)細(xi)節(jie)信(xin)息(xi)
，還(hai)有(you)一(yi)根(gen)線(xian)用(yong)於(yu)溫(wen)度(du)測(ce)量(liang)
，出(chu)於(yu)安(an)全(quan)的(de)原(yuan)因(yin)，這(zhe)根(gen)線(xian)與(yu)負(fu)極(ji)和(he)正(zheng)極(ji)端(duan)子(zi)是(shi)隔(ge)離(li)的(de)。為(wei)了(le)檢(jian)測(ce)電(dian)池(chi)溫(wen)度(du)
，電(dian)池(chi)通(tong)常(chang)內(nei)置(zhi)一(yi)個(ge)熱(re)敏(min)電(dian)阻(zu)，由(you)該(gai)電(dian)阻(zu)提(ti)供(gong)正(zheng)比(bi)於(yu)電(dian)池(chi)負(fu)極(ji)電(dian)壓(ya)的(de)輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)。

 

當采用低邊檢測方案時
，可按照如圖2底di部bu所suo示shi的de方fang式shi插cha入ru檢jian測ce電dian阻zu。由you電dian池chi電dian流liu產chan生sheng的de檢jian測ce電dian壓ya經jing放fang大da後hou饋kui入ru控kong製zhi器qi
，再zai由you控kong製zhi器qi做zuo出chu一yi些xie必bi要yao的de處chu理li來lai調tiao整zheng功gong率lv流liu。由you於yu檢jian測ce電dian壓ya隨sui電dian池chi電dian流liu而er變bian，這zhe樣yang就jiu會hui改gai變bian電dian池chi負fu極ji的de電dian壓ya，而er溫wen度du輸shu出chu是shi以yi負fu極ji端duan子zi作zuo為wei基ji準zhun信xin號hao因yin此ci就jiu導dao致zhi溫wen度du輸shu出chu不bu精jing確que。

 

低邊檢測的另外一個主要缺點，體現在電池和地之間意外短路所導致的短路電流不能被檢測到。在圖2所示電路中

，正極電源和地之間短路會產生足夠毀壞MOS開關(S1)dedadianliu。raner，jinguanyouzheyangdewenti，dibianjiancefangandejiandanhedichengbenshidetaduinaxieduanlubaohubushibiyaodeyingyonglaishuoyouhendadexiyinli，yinweizaizhezhongyingyongzhongdixianganraoshikeyirongrende。

 

 

高邊電流檢測(圖1b)指(zhi)的(de)是(shi)將(jiang)檢(jian)測(ce)電(dian)阻(zu)放(fang)在(zai)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)和(he)負(fu)載(zai)之(zhi)間(jian)的(de)高(gao)位(wei)。這(zhe)種(zhong)放(fang)置(zhi)方(fang)式(shi)不(bu)僅(jin)消(xiao)除(chu)了(le)低(di)邊(bian)檢(jian)測(ce)方(fang)案(an)中(zhong)產(chan)生(sheng)的(de)地(di)線(xian)幹(gan)擾(rao)，還(hai)能(neng)檢(jian)測(ce)到(dao)電(dian)池(chi)到(dao)係(xi)統(tong)地(di)的(de)意(yi)外(wai)短(duan)路(lu)。

 

然而，高邊檢測要求檢測放大器處理接近電源電壓的共模電壓。這種共模電壓值範圍很寬
，從監視處理器內核電壓要求的電平(約1V)到在工業、汽車和電信應用常見的數百伏電壓不等。應用案例包括典型筆記本電腦的電池電壓(17到20V)，汽車應用中的12V、24V或48V電池

，48V電信應用
，高壓電機控製應用
，用於雪崩二極管和PIN二極管的電流檢測以及高壓LED背光燈等。因此
，高邊電流檢測的一個重要優勢，那就是檢測放大器具備處理較大共模電壓的能力。

 

 

對於工作在5V的典型低壓應用來說，高邊檢測放大器可采用簡單的儀表放大器(IA)。然而，不同的IA架構有著不同的限製，如有限的輸入共模電壓範圍。另外，IA也比較昂貴，而且在較高共模電壓時，低壓IA根本無法工作。因此設計高壓高邊電流檢測所需的放大器是一個艱巨的挑戰。

 

解jie決jue這zhe個ge問wen題ti的de一yi個ge直zhi截jie了le當dang的de方fang法fa
，就jiu是shi使shi用yong簡jian單dan的de電dian阻zu分fen壓ya器qi來lai降jiang低di高gao邊bian共gong模mo電dian壓ya
，讓rang這zhe個ge共gong模mo電dian壓ya落luo在zai檢jian測ce運yun放fang的de輸shu入ru共gong模mo範fan圍wei內nei。然ran而er，這zhe種zhong方fang法fa不bu僅jin體ti積ji大da，成cheng本ben高gao，而er且qie像xiang下xia文wen說shuo明ming的de那na樣yang還hai可ke能neng無wu法fa提ti供gong精jing確que的de結jie果guo。

 

讓我們考慮這樣一個例子：在檢測電阻上產生100mV檢測電壓
，該電壓寄生在10V的共模電壓上。對應100mV滿幅檢測電壓的理想輸出是2.5V
，最差精度指標是1%。

 

采用圖3所示的簡單電阻分壓器可將10V共模電壓減小10倍。

 

圖3：實現傳統高邊電流檢測的電路。

 

配置為差分放大器的運放A1能很輕鬆地處理1V共模電壓。但Vsense(100mV)同樣也被縮小了10倍，因此在差分放大器A1的輸入端檢測電壓隻有10mV。為了提供要求的2.5V滿刻度電平
，還必須引入第二個放大器A2，並設置為250倍的增益。

 

值得注意的是
，A1的輸入偏移電壓無衰減地出現在其輸出端，同時出現在A2輸入端
，然後被放大250倍。由於這些偏移電壓是不相關的，它們在A2輸入端可能整合為一個平方根和(RSS)，並形成等效偏移電壓。假設兩個運放都有1mV的輸入偏移電壓，那麼等效偏移電壓為：

 

 

其中VOS_A1和VOS_A2分別是A1和A2的輸入偏移電壓。

 

 

因此由上述公式可以得出A2輸出端僅由輸入偏移電壓所引起的誤差電壓為：

 

250(1.4mV) = 350mV

 

這樣，運放偏移電壓造成了14%的係統誤差。

 

 

第二個主要的誤差源
，是來自與放大器A1的電阻臂相關的公差。A1的CMRR很大程度上取決於電阻增益設置臂R2/R1和R4/R3之比值。兩個臂中電阻比值即使差1%
，也會產生90μV/V的輸出共模增益。

 

使用1%公差的電阻時
，電阻臂比值最大變化為±2%，相當於最壞情況下3.6mV/V的共模電壓誤差。這樣，10V的輸入共模電壓變化將在A1輸出端產生高達36mV的誤差(電阻臂變化1%時的誤差為0.9mV)。36mV的誤差顯然是不能接受的，因為它將導致增益為250的A2出現飽和！即使電阻臂比值變化1%也會產生放大的誤差電壓0.9mVx250=225mV。

 

 

總誤差等於A1輸入偏移電壓
、A2輸入偏移電壓、以及由電阻精度引起的誤差電壓的RSS總和。如上所述，電阻%1的精度變化加上10V的共模電壓變化本身就會產生最大36mV的誤差，並使A2飽和。假設電阻臂R2/R1和R4/R3之間的比值隻變化1%，輸出誤差也將高達0.9mV。因此總的RSS輸入誤差電壓為：

 

 

其中VOS_A1和VOS_A2分別是A1和A2的輸入偏移電壓，VOS_MISMATCH是由於電阻臂比值1%的變化引起的輸入誤差電壓：

 

 

即使我們忽略溫度變化，由於放大器A1和A2的偏移電壓以及電阻臂比值1%的失配引起的總誤差也可能高達1.67mVx250=417.5mV，是滿刻度輸出的16.7%。換句話說

，417.5mV誤差電壓看上去像是417.5mV/25 = 16.7mV的輸入偏移誤差，這顯然是不可接受的。

 

總誤差可以通過使用更高精度的電阻(0.1%)、或具有更好偏移電壓規格的放大器來縮小。但這些措施將進一步增加本來就已經包含了眾多元件的係統的成本。

 

另外
，即使沒有負載，電阻分壓器R4/R3和R2/R1也提供了電源電流到地的流通路徑。這種到地的低共模阻抗在電池供電設備中很關鍵，因為電阻路徑中的漏電會迅速泄漏電池能量。

 

 

綜上所述
，理想的器件不僅要能檢測較高共模電壓上的電壓
，而且要具有非常好的CMRR和低輸入偏移電壓。圖4中基本的高邊電流檢測放大器(CSA)已經能以IC的形式買到

，並采用小型封裝以最小化電路板尺寸。生產這種IC時使用的高壓製造工藝允許它們即使是在低至2.8V電源電壓下工作也能處理高達80V以上的共模電壓。

 

圖4：包含這些基本元件的集成高邊電流檢測放大器。(負載、電流鏡像、緩衝器)

 

電流流經圖4中的檢測電阻會產生一個很小的差分電壓，該電壓必定通過增益電阻RG1。而(正比於檢測電壓的)zhegedianliubeijingxianghechulihoutigongyidiweicankaodeshuchudianliu

，congerwanchengconggaobiandelixiangdianpingpianyi。zhegedianliushuchukeyitongguoliujingyigedianzuhuodianyahuanchongqierzhuanhuanweidianya。

 

美信公司的這個高邊CSA具有以下一些特性：該芯片有非常高的共模輸入阻抗，最小的輸入偏移電壓，低於1%的精度指標和典型100dB的CMRR。這些特性為傳統高邊CSA中常見的問題提供了高性價比的解決方案。其小型封裝(2.2mmx2.4mm SC70，3mmx3mm SOT，1mmx1.5mm USCP等)使電路板尺寸得以保持最小。

 

這些高邊放大器可以適合眾多應用中的低成本電流檢測使用
，每一種放大器都針對特定應用作了優化。例如，MAX4372、MAX9928/29和MAX9938適合電池供電的設備，而MAX9937和MAX4080非常適合工業係統，MAX4069和MAX9923則是需要超低偏移電流應用的最好選擇。由於不使用低邊電流檢測方案，所有這些IC有效地避免了地彈電壓和短路檢測功能缺失的問題。