在低側電流檢測中使用單端放大器：誤差源和布局技巧

2021-08-17

在低側電流檢測中使用單端放大器：誤差源和布局技巧

我們討論了通用運算放大器的同相配置可用于低側電流檢測。受TI文章“如何為高性能、低側電流檢測設計布局 PCB ”的啟發(fā)，本文試圖進(jìn)一步闡明在低電壓下使用單端放大器時(shí)可能影響我們測量的誤差來(lái)源。側電流感應。

在低側電流檢測中使用單端放大器

低側檢測的主要優(yōu)點(diǎn)是可以使用相對簡(jiǎn)單的配置來(lái)放大分流電阻器上的電壓。例如，通用運算放大器的同相配置可以成為需要能夠在消費市場(chǎng)領(lǐng)域競爭的成本敏感型電機控制應用的有效選擇。

基于同相配置的電路圖如圖 1所示。

圖1。

但是，這種低成本解決方案可能會(huì )受到多種不同錯誤來(lái)源的影響。為了準確測量電流，我們需要考慮任何可能影響電路敏感節點(diǎn)（例如放大器輸入）的非理想效應。我們將在下面更詳細地討論這個(gè)問(wèn)題。

微量電阻

一個(gè)重要的誤差來(lái)源是與 R分流器串聯(lián)出現的 PCB 走線(xiàn)的寄生電阻。由于 R shunt在毫歐范圍內具有很小的值，任何與 R shunt串聯(lián)的寄生電阻都會(huì )導致顯著(zhù)的誤差。通過(guò) R雜散對該寄生電阻進(jìn)行建模，我們得到圖 2 中的示意圖。

圖 2。

根據應用，I負載可高達數百安培。因此，即使是很小的 R雜散值也會(huì )產(chǎn)生相當大的誤差電壓 V error。該誤差電壓將被放大器的增益放大并出現在輸出端。

由于銅電阻的溫度系數相當高（約 0.4%/°C），R 的值會(huì )雜散，因此誤差電壓會(huì )隨溫度變化很大。因此，雜散電阻會(huì )在溫度變化很大的系統中產(chǎn)生與溫度相關(guān)的誤差。為了減少誤差電壓V error，我們應該避免長(cháng)走線(xiàn)以最小化R雜散。

值得一提的是，消除 R雜散誤差的更有效解決方案是使用不同的放大器而不是同相配置。從圖 2 中可以看出，同相配置具有單端輸入。它檢測節點(diǎn) A 處相對于地的電壓。然而，差分放大器具有差分輸入并感測 R shunt兩端的電壓。這在圖3中示出。

圖 3。

差分放大器的傳遞函數由下式給出：

vout=R2/R1(vA?vB)=R2/R1Vshuntvout 

由于放大器的差分輸入檢測分流電阻兩端的電壓，PCB 走線(xiàn)的電阻不會(huì )產(chǎn)生誤差。我們將在以后的文章中更詳細地研究差分放大器配置。

耐焊性

另一個(gè)誤差來(lái)源是與檢測電阻串聯(lián)的焊接電阻。這在圖4中示出。

圖 4。

在該圖中，負載電流按紅色箭頭方向從左向右流動(dòng)。垂直走線(xiàn)將分流電阻連接到放大器輸入（In+ 和 In-）。因此，放大器感測 A 點(diǎn)和 B 點(diǎn)之間的電壓差。感測電阻器的實(shí)際值將是 R shunt +2R焊料。焊接電阻可以在幾百微歐的范圍內。

誤差變得很大，尤其是在使用小分流電阻器時(shí)。例如，對于 0.5 mΩ 分流電阻器和 I負載= 20 A，來(lái)自焊接電阻的誤差可能高達 22%。為了解決這個(gè)問(wèn)題，放大器輸入應直接連接到分流電阻器而不是載流跡線(xiàn)。圖 5顯示了一個(gè)示例布局，可以提供更準確的結果。

圖 5。

在這種情況下，有兩對 PCB 焊盤(pán)：一對用于將 R分流器連接到負載，另一對用于將 R分流器連接到放大器輸入。在大電流應用中，放大器吸收的電流 (I amp ) 遠小于 I load。這就是為什么上述布局可以減少阻焊誤差的原因。

為了更好地理解這種技術(shù)，讓我們比較兩種情況下的感測電壓。對于圖 4所示的布局，感測電壓為：

vA?vB=(Rshunt+2Rsolder1)×(Iload+Iamp)

由于 I amp比 I load小得多，我們有：

vA?vB≈(Rshunt+2Rsolder1)×Iload=RshuntIload+2Rsolder1Iload

在這種情況下，誤差為 2R焊料 2 I amp，它遠小于等式 1的誤差，因為 I amp遠小于 I load。這種技術(shù)通常稱(chēng)為開(kāi)爾文傳感，可用于許多應用領(lǐng)域。它使我們能夠準確測量阻抗。采用開(kāi)爾文傳感技術(shù)的其他一些 PCB 布局如圖 7所示。

圖 7.圖片（改編）由TI 提供。

您可以在ADI 公司的“通過(guò)改進(jìn)低值分流電阻器的焊盤(pán)布局優(yōu)化高電流檢測精度”中找到更復雜的開(kāi)爾文連接布局示例。

您可能想知道圖 5 和圖 7中描述的三種布局中的哪一種可以實(shí)現更準確的測量？應該注意的是，這個(gè)問(wèn)題很難回答，因為結果取決于您在設計中使用的電阻。在報告電阻的標稱(chēng)值時(shí)，不同的電阻制造商可能會(huì )使用不同的測量位置。

例如，如果電阻制造商測量了焊盤(pán)內部的電阻，則圖 7(a) 中的布局可以為我們提供更準確的測量結果。

嘈雜的地面    

圖 8顯示了另一個(gè)錯誤來(lái)源：嘈雜的地面。

圖 8。

我們討論過(guò)，由于同相配置具有單端輸入，因此它測量節點(diǎn) A 處相對于地的電壓。假設我們的電路板有一個(gè)專(zhuān)用的地平面。我們可以在非?？拷?span> R分流器的地方放置一個(gè)通孔，以將 B 點(diǎn)保持在系統地電位，并最大限度地減少 PCB 走線(xiàn)電阻的誤差。另一個(gè)敏感節點(diǎn)是節點(diǎn) C。任何耦合到節點(diǎn) C 的信號都將被放大并出現在輸出端。因此，我們還需要將節點(diǎn) C 保持在地電位。

但是，假設接地有噪聲，并且一些電流流過(guò)接地層，如圖 8所示。這將導致節點(diǎn) B 和 C 之間的電位差，而我們理想地期望它們處于相同的電位。

假設節點(diǎn) B 保持在地電位，與地電流的電壓差將出現在節點(diǎn) C 并在輸出端引入誤差。為避免此錯誤，建議使用使節點(diǎn) B 和 C 彼此非?？拷?span> PCB 布局。

把它放在一起

圖 9顯示了一個(gè)考慮到上述因素的示例布局。此示例布局基于 SOT 23封裝的運算放大器。

圖 9。

請注意，開(kāi)爾文連接用于檢測分流電阻器兩端的電壓。另請注意，R 1和R分流器的接地側彼此非?？拷?。請記住，開(kāi)爾文連接有幾種不同的焊盤(pán)布局。您可能需要咨詢(xún)電阻器制造商或進(jìn)行一些實(shí)驗來(lái)確定適合您設計的布局。

您可以在TI 的“如何為高性能、低側電流感應設計布置 PCB ”中找到 X 2 SON 封裝中運算放大器的布局示例。