電流檢測放大器的基礎知識，類(lèi)型和設計指南

2020-06-11

電流檢測放大器是專(zhuān)用放大器，其輸出電壓與在電源軌中流動(dòng)的電流成比例。電流檢測放大器也稱(chēng)為電流分流放大器，因為它在電源軌中使用了一個(gè)分流電阻器，當電流流過(guò)該電阻器時(shí)，它會(huì )提供一個(gè)小的電壓降。該電壓降由電流檢測放大器轉換并放大為較小的輸出電壓。您還可以簽出ACS712，它也用于測量電流，但使用基于霍爾效應的傳感器。

這些放大器是為特殊目的而設計的，因此，該放大器可以放大并聯(lián)電阻兩端的非常小的檢測電壓，通常在10至100 mV的范圍內。電流檢測放大器專(zhuān)為實(shí)現DC精度（例如，低輸入失調電壓）和高共模抑制比（CMRR）而設計。電流檢測放大器可以測量在單個(gè)方向上流動(dòng)的電流，也可以測量通過(guò)檢測電阻器在兩個(gè)方向上流動(dòng)的電流。在這種情況下，如果放大器能夠檢測兩個(gè)方向的電流，則稱(chēng)為雙向電流檢測放大器。

在本文中，我們將使用示例電路評估不同類(lèi)型的電流檢測放大器。

電流檢測放大器和普通放大器之間的區別

普通放大器和電流檢測放大器具有不同的規格，它們是為特定目的而制造的。運算放大器有很多類(lèi)型，您可以閱讀本文以了解流行的運算放大器IC及其應用。普通放大器無(wú)法放大很小的電壓，并且CMRR低。另一方面，精密電流檢測放大器可以檢測和放大非常少量的電壓，并且CMRR相對較高。

對于普通的差分放大器或標準運算放大器，電源連接在兩個(gè)電源軌（Vcc和Vee）之間，并且這些放大器只能對位于電源軌后面或具有公共接地路徑的信號進(jìn)行操作。如果將外部電壓施加到標準放大器的輸入引腳中，則用過(guò)的電源軌的外部電壓可能會(huì )觸發(fā)內部ESD保護二極管，并可能導致大電流流過(guò)。

但是，電流檢測放大器的設計方式是，盡管有低壓電源軌（例如Vcc = 3.3 V和V  = 0V），但該放大器可以承受比提供的Vcc 高得多的引腳電壓。放大器使用出色的電源路徑協(xié)議進(jìn)行操作。只要輸入電壓低于VCC，放大器就會(huì )更改其輸入電源并從輸入電壓供電。

共模電壓和CMRR

對于普通放大器和電流檢測放大器而言，共模電壓都是重要的參數。共模電壓是施加在放大器兩個(gè)輸入兩端的平均電壓。該電壓非常重要，因為運算放大器基于共模電壓區分和產(chǎn)生輸出的能力有限。普通運算放大器支持一小段共模電壓，不適用于精密級電流感測操作。但是對于電流檢測放大器，共模電壓范圍比放大器的實(shí)際電源電壓要寬得多。例如，對于電流檢測放大器，INA240能夠在低至2.7V的電源上運行時(shí)支持-4V至+ 80V之間的共模電壓。  

另一方面，CMRR，共模抑制比（CMRR）是差分增益與共模增益之比。對于理想的運算放大器，CMRR是無(wú)限的，但在實(shí)際電路中，其典型范圍是80至100 dB。高CMRR表示共模信號將在測量值上反映多少。因此，對于電流檢測放大器而言，它是一個(gè)重要的參數，因為它將在輸出端反映出非常低的共模信號，從而為開(kāi)拓普遍的電流檢測能力提供了可能性。電流檢測放大器具有較高的CMRR，并且可以檢測較小的共模信號。CMRR還負責降低電流檢測線(xiàn)上的噪聲。 

如何使用電流檢測放大器IC設計電路

假設采用12V 1A線(xiàn)路的設計，其中需要使用大電流檢測電路。在這種情況下，一個(gè)電流檢測電路可以使用內置電流檢測放大器。但是在進(jìn)行電路之前，需要為此選擇一個(gè)電流檢測放大器。

由于最大額定電流為1A，并且沒(méi)有描述指定的負載，因此需要選擇一個(gè)電流檢測放大器，該放大器可在12V電源下工作，并且可以檢測到超過(guò)1A的額定電流。正如討論的那樣，需要為低端或高端選擇一些東西。在這種情況下，可以使用高端電流檢測來(lái)檢測故障或適當的短路狀況。但是，低端電流檢測也可以工作。我們將在本文后面討論兩者之間的區別。

 

由于負載可能是電容性或電感性的，可能會(huì )產(chǎn)生浪涌電流，因此可以將低值電阻器與專(zhuān)用電流檢測放大器配合使用。對于該電路，可以使用LT6108，因為它可以在2.7V至60V的電壓下工作。該放大器的CMRR也很高，高達125dB。因此，該放大器可以在12V電源下工作，并且可以檢測到非常小的電流。

 

以上電流檢測放大器電路是使用LT6108構建的。0.1歐姆電阻是感測電阻，在流過(guò)該電阻的電流期間會(huì )產(chǎn)生電壓降。另一方面，IRF9640是由2N2700控制的開(kāi)關(guān)MOSFETMOSFET。放大器可以將開(kāi)關(guān)MOSFET關(guān)斷為預設值。在上面的電路中，跨250mA產(chǎn)生一個(gè)跳變點(diǎn)。因此，如果流經(jīng)電阻的電流超過(guò)250mA，則放大器將關(guān)閉負載MOSFET。但是，對于高于1A的跳閘電壓，可以通過(guò)電流檢測放大器INC引腳兩端的分壓器來(lái)設置目標值。電流檢測放大器的OUTA引腳上的Vout可用于檢查通過(guò)電流檢測電阻的電流額定值。

上述電路也可以使用另一個(gè)電流檢測放大器來(lái)構造，該電流檢測放大器使用的電源電壓范圍大于12V，并且可以接受輸入，而與電源電壓無(wú)關(guān)。

帶有應用電路的電流感應IC的類(lèi)型  

低側電流檢測

如前所述，使用分流電阻器感測電流，并且根據分流電阻器的位置，電流感測技術(shù)會(huì )有所不同。低端電流測量使用。因此，創(chuàng )建活動(dòng)負載的GND路徑時(shí)，無(wú)論負載電流何時(shí)返回GND，總會(huì )流過(guò)分流電阻。在下圖中，顯示了低壓側電流測量電路。

 

以上電路是低壓側電流檢測技術(shù)的實(shí)際示例。左圖使用的是德州儀器（TI）的INA181電流檢測放大器，并將輸出提供給ADC，該ADC將以I2C協(xié)議提供數據。右圖使用的是ADI公司的電流檢測放大器AD8202。它正在感測電感負載的低壓側電流。

優(yōu)點(diǎn)：

低壓側電流測量的優(yōu)點(diǎn)是，易于實(shí)現，因為分流電阻兩端的檢測電壓均以GND為基準。在這種配置中，由于分流電阻兩端的壓降較小，因此可以使用低壓電流感測放大器。同樣，由于檢測到的電壓低，可以忽略共模抑制。

缺點(diǎn)：

低端電流測量的主要缺點(diǎn)是負載會(huì )偏離參考地。這是由于在接地層中串聯(lián)了一個(gè)分流電阻器引起的。由于接地參考斷開(kāi)，這種情況在負載與地面之間的短路情況下會(huì )變得很麻煩，因為分流電阻器無(wú)法檢測到流過(guò)負載電路的電流很大。

高端電流檢測

與低壓側電流檢測相同，高壓側電流測量使用相同的分流電阻，但放置在電源和有功負載之間。在下圖中，顯示了高電流檢測放大器電路。

 

以上電路是高端電流檢測技術(shù)的實(shí)際示例。左圖使用的是德州儀器（TI）的INA240，并將輸出提供給ADC，該ADC將以I2C協(xié)議提供數據。右圖使用的是ADI公司的LT6100。它與負載的保險絲一起檢測高端電流。

優(yōu)點(diǎn)：

高端電流測量比低端測量有兩個(gè)優(yōu)勢。首先，它克服了無(wú)法檢測到負載與地短路的低端電流檢測的缺點(diǎn)。由于在電源平面中放置了一個(gè)分流電阻器，因此可以輕松檢測負載和接地之間的短路情況。

其次，在該電路中，將負載放置在參考的適當接地中，如果使用ADC轉換，則分流電阻器的差分輸入可以檢測出準確的負載電流，而無(wú)需額外的努力。

缺點(diǎn)：

但是高端電流測量技術(shù)需要很高的共模抑制性能，因為在分流電阻兩端產(chǎn)生的小電壓低于負載電源電壓。

雙向電流感測

 

雙向電流檢測電路使用一個(gè)簡(jiǎn)單的分流電阻，但放大器需要具有檢測各種共模電壓的能力。雙向電流感測技術(shù)比低壓側和高壓側感測有些復雜。有多種方法可以檢測雙向電流。在某些情況下，例如上圖，其中兩個(gè)電流檢測放大器INA300的連接方式將通過(guò)任何電流檢測放大器以?xún)煞N方式檢測電流。該電路需要反極性保護以及一種開(kāi)關(guān)技術(shù)，該技術(shù)將根據電路的極性來(lái)切換放大器的輸出。

檢測雙向電流的其他方法是將輸入電壓用作參考，然后放大器感測跨接檢測電阻的壓降并將其與參考電壓進(jìn)行比較。如果下降電壓高于已知參考電壓，則下降方向為一個(gè)方向，而低于已知參考電壓的下降電壓為相反方向。

隔離電流檢測

隔離電流感測技術(shù)使用適當的CT 變壓器或霍爾效應感應，當電流流過(guò)變壓器的另一個(gè)抽頭時(shí)，在變壓器的抽頭中產(chǎn)生比例電壓。

 

上圖是使用隔離式電流互感器的電流檢測放大器的另一個(gè)實(shí)際示例。它使用德州儀器（TI）的流行電流檢測放大器INA199。

這就是電流感測放大器與不同電流感測技術(shù)一起使用的方式。