高压侧电流检测

广 告 电子工程专辑 • 2005年12月16日-31日 www.linear.com.cn68 5V 50kM9 M3 M1 P1 P3 P9 150k 450k 50k 150k 450k 450k 450k REF LT1991 VOUT 4pF 4pF –5V 凌特公司提供的高性能模拟解决 高压侧电流检测 称为“低压侧电流检测”)会带 来不少难题。举例来说：负载不 再具有一个可靠的接地线路；当 电流改变时，相对地的电路将发 生变化。一个变动的“地”会使 充电或电源管理电路产生信号 误差。而且，为了精确地测量电 流，您必须完全隔离和容纳所有 流经检测电阻器的电流。所有长 期从事接地环路研究的人都知 道这是相当困难的。 为了消除低压侧问题，可 将电流检测电阻器布设于正电 源和负载之间，这就是所谓的 “高压侧电流检测”。高压侧电 流检测必须辨别加在一个高共 模电压之上的小检测电压。 简单易行的方法 用于高压侧电流检测的一项技 术是首先对电流检测信号进行 衰减，然后采用一个差分放大 器来提取并放大差分电压。如 图 1所示，可在放大器上采用 一个简单的电阻分压器。该电 路需要卓越的电阻器匹配和一 个具有高共模输入电压及上佳 共模抑制 (CMRR)的差分放大 器。凌特公司的 LT®1991 差分放大器提供了此类电 路的一个出色实例，其内 置电阻器的匹配误差小于 0.01%。除了低失调、偏 压漂移和输入偏置之外， LT1991还能够接受高达 60V的输入电压，并具有 一个75dB的CMRR指标。 专用电流检测放大器 尽管高共模电压所提供的 准确度有可能让人无法接 受，但是采用一个具有精 确匹配电阻器的精准差分 放大器却能够起到上佳的 作用。假设采用一个具有 1mV 固定失调电压的放大器来测量 一个检测电阻器两端的 100mV 电压，这将转化成一个 1%的 误差。现在，如果在一个必须 被衰减 10倍的高共模电压条件 下对该 100mV电压进行测量， 则 100mV信号到达放大器输入 端时将是 10mV。此时，准确 度下降至 10%。电阻器匹配误 差和共模抑制误差 (CMRR)还 将使准确度进一步下降。 对于高电压、高压侧测量 而言，专用高压侧电流检测放 大器是一种更佳的选择，因为 它们是专为能够以超卓的精度 在高共模电压条件下运作而设 计的。凌特公司提供了三个高 压侧电流检测放大器系列，旨 在满足众多应用的需要。 增益准确度问题 对于那些性能、外形尺寸和灵 活性均很关键的不妥协设计， 不妨考虑采用 LT6100。这款高 压侧电流检测放大器包括一个 输出缓冲器和用于设定 6种增 益配置和 0.5%增益准确度的 内部电阻器，所有这些部件均 集成于一个占板面积为 9mm2 的封装之中。LT6100的输入 是一个具有 300µV低失调电压 并能够接受高达 48V的全差分 电压的坚固型差分放大器。因 此，该器件可监视一个熔断器 或MOSFET(无需顾及开路 )， 并能承受一个 -48V的反向输 入条件。一个单独的电源输入 可在 2.7V至 36V的电压范围 内运作，且仅吸收 60µA的电 流。当断电时，输入引脚变为 高阻抗，从而阻止了电流吸收。 LT6100是一款完整、精准的解 决方案，堪称是功耗十分敏感 且尺寸受限的当今高性能设计 的理想选择。 观测电感性的反冲 如果您正期望使自己的设备免 遭负载故障或高电压反激条件的 损坏，请考虑使用 LTC®6101。 由于具备了超高的共模电压承受 能力，LTC6101因而可在整个高 电压峰化（有可能因电源故障或 灾难性的负载变化所致）期间正 常运作。而且，当被用于电源或 负载的选通时，LTC6101凭借其 1µs的响应时间而一举成为对这 些状况实施控制的理想器件。除 了保护应用之外，LTC6101还可 用于高质量监视，因为它在一个 纤巧型 ThinSOTTM封装内提供 了出众的精度和灵活性。输入偏 置电流为 170nA(最大值 )，输 入失调电压为300µV(最大值)， 偏压漂移为 1µV/°C(典型值 )。 增益是通过两个电阻器来选择 的，而且，利用精准电阻器还 可轻松实现优于 1%的增益准确 度。对于要求进行快速、准确电 流测量的汽车和工业应用来说， 凌特公司的 LTC6101提供了坚 定的性能。 双向操作 对于某些应用而言，双向电流 检测是需要的。例如：一个具 有充电和放电电流的电池式设 备就有可能需要进行双向电 流检测。实现该目标的方法 之一是把两个单向器件 (比如 模模 器件 双向 高电压 ( 60V) 快速响应 ( 10 s) 精准 (Vos 300 V) 小占板面积 ( 3 x 3mm) 微功率 (典型值 60 A) 增益可配置 精选的电流检测放大器 LT6100 LTC6101/HV LT1787/HV 处理故障条件 当用于功率监视时，电流检测电路常常是对故障进行探测和做出响应的关键。电感性成 份有可能严重损坏系统，并导致很大的共模波动。在故障期间应对可能的峰值电压幅度和持续时 间进行评估，这一点是很重要。例如：对于高达 105V 的瞬变，LTC6101HV 将在整个故障期间执行 连续监视，并能够以其 1µs 的响应时间来启动停机操作。另一方面，当一个故障在放大器输入端 上感应出幅度很大和持续时间很长的差分电压时，则采用 LT6100 是理想的。该器件能够承受高达 整个共模范围的差分电压 ( 当采用一个熔断器或 MOSFET 作为分流器件时就有可能出现这种情况 )。 增益 = 1 输入共模电压 > ±50V! 图 1：采用一个精准差分放大器的高压侧电流检测 拟电路设计中最常见 的任务之一就是电流 测量。电流检测电 路常常位于电源和电池寿命管 理、偏置电流控制、负载监视、 熔断器监视、故障保险电路和 仪表的核心部分。各种约束、 要求以及应用范围的不断拓展 时常推动着电流检测技术水平 的发展。本文说明了高压侧电 流检测的优点，并突出介绍了 针对该应用的新型放大器。 在高压侧进行测量 在理想的电路中，电流的测量 将在不中断电流通路的情况下 进行。例如：人们可以采用磁 传感器来检测电流 (除非磁传 感器的准确度欠佳 )。因此，电 流检测电路通常直接把一个电 阻器布设于电流通路中，并采 用一个放大器来测量该电阻器 两端的压降。 此项工作看似微不足道， 直至等到您考虑电流检测电阻 器的布设位置时就会恍然大 悟，实际情况原来并非如此！ 按照接地回线来布设电阻器 (被 广 告 电子工程专辑 • 2005年12月16日-31日 69 获取有关电流检测的 独家新闻 请访问 www.linear.com.cn 网站 索取 ISENSE 解决方案指南，其 中汇集了大量从凌特公司多 年丰富中浓缩而成的电 流检测电路和讨论。讨论的 主题包括： • 高压侧和低压侧电流检测 • 单向和双向电流检测 • 高电流和低电流检测 • 设计和采用 PCB 电流检测 电阻器 注：LT、LTC 和 是凌特公司的注册商标。ThinSOT 是凌特公司的商标。 图 2：I2C多路复用器 表 2:凌特公司的总线缓冲器产品 LTC6101 和 LT6100) 组 合 起 来使用。另一种可选方案是采 用 LT1787高性能电流检测放 大器。LT1787加上一个外部检 测电阻器提供了一种用于实现 精确、双向电流检测的简易、 准确而紧凑的解决方案。即使 功率。这款电路的典型电流消 耗低于 500µA。 具有 12kHz 滚降频率的 0A ~ 33A 高压侧电流监视器 LT6100最简单、最实用的应 用之一是作为一个大动态范围 电流监视器。由于它的失调电 压仅为 300µV，因此，采用一 个 3mΩ分流电阻器就能够提供 100mA的分辨率和一个 33A 的全标度范围。在这款电路中， 该器件采用一个单 3V电源。 当断电时，LT6100输入与系统 实质上“断接”，因为它仅吸收 1nA的输入电流。在滤波器输 入引脚 FIL上连接一个 220pF 电容器可提供一个 12kHz差分 噪声滚降频率，而且，通过引 脚 A4和 A2来配置内部电阻器 可选择一个 25V/V的增益。 一个单电源上的充电 / 放电 电流监视器 通过允许直接使用 LT1787的 输出电阻器，该双向器件的输 出可偏置至期望的中间点。在 图 4中，采用一个外部电压基 准来给输出施加偏压（针对单 电源操作）。输出信号能够摆动 至偏置电压以上和以下，以指 示流经检测电阻器的正电流或 负电流。在本例中，该电路可 在采用一个低至 3.1V的电源电 压时正常工作。 VEE VOUT FIL A4VCC VS + RSENSE 3m VS – 3V CONFIGURED FOR GAIN = 25V/V 4.4V TO 48V SUPPLY A2 LT6100 220pF LOAD 6101 TA01 LTC6101HV ROUT 4.99k RIN 100 VOUT VSENSEILOAD 5V TO 105V 1 F5V L O A D –+ – + VOUT = • VSENSE = 49.9VSENSE ROUT RIN LTC2433-1 为什么采用两个电阻器比采用一个电阻器好？ LTC6101 是一款独特的电流检测放大器。与竞争对手不同，凌 特公司的设计团队选择的是让用户来控制 RIN 和 ROUT，从而提 供了更大的灵活性和更为优越的性能。请仔细考虑以下优点： • 采用精度达 0.1% 的电阻器 RIN 和 ROUT，用户便能够实现优于 0.2% 的增益准确度 • 通过选择 RIN，用户将能够在响应时间和 RSENSE 的功耗之间进 行权衡 • 用户能够灵活地设定增益和输出阻抗，旨在实现最佳的输出 驱动 • 可通过选择一个大阻值的 RIN ( 以限制输出电流 ) 来实现最佳 的功耗水平 • 可通过选择输入电阻器 ( 以消除偏置电流误差 ) 来实现超群 的 DC 准确度 LTC6101 数据表 ( 可登录 www.linear.com.cn 下载 ) 中的应用部 分对这些优点进行了详细的描述。 应用 图 3：通过引脚搭接来选择增益，无需使用外部元件 具有 16 位分辨率的低功率 电流监视器 LTC6101的速度和准确度使其 非常适合直接与一个 ADC(比 如凌特公司的 16位增益累加 模数转换器 LTC2433)相连。 由于可以使用输入和输出电阻 器，因此用户能够在维持期望 增益的同时对最佳阻抗进行配 置。该解决方案采用了纤巧的 表面贴装型元件和两个外部电 阻器，因而具有有效的空间和 图 4：施加偏压可使输出在采用单工作电源时指示电流的方向 在采用低值、低插入损耗检测 电阻器的情况下，也能够实现 高于 10,000份之一的电流分辨 率。LT1787的技术规格是针对 2.5V至 60V的电源电压而拟订 的，因而只需要 60µA(最大值 ) 的电源电流。 图 2：LTC6101HV可容易地与一个 ADC相连 C2 1 F 20k 5% 3.3V LT1634-1.25 *OPTIONAL OUTPUT C1 1 F RSENSE 3.3V TO 60V TO CHARGER/ LOAD LT1787HV FIL+FIL– VBIAS VOUT VS – VS + DNC VEE C3* 1000pF ROUT