簡(jiǎn)化電流感應,如何使用電流檢測放大器進(jìn)行設計(二)

目錄

第1章：電流檢測概述,集成電阻器電流傳感器如何簡(jiǎn)化PCB設計

第 2 章：超出范圍電流測量,測量電流以檢測超出范圍的情況（√）

監測電流以識別多種超出范圍的 情況

用于提供過(guò)流保護的高側,電機電流監測

第 3 章：開(kāi)關(guān)系統中的電流檢測具有增強型PWM抑制功能的低漂移、精密直列式電機電流測量

第4章：集成電流檢測信號鏈 集成電流檢測信號路徑

第5章：寬VIN 和隔離式電流測量 將差分輸出（隔離式）放大器連接到單端輸入ADC

突破分立式電流檢測放大器的 最大共模范圍

簡(jiǎn)介

在解決與為成本優(yōu)化型應用設計精確電流測量電路相關(guān)的難題時(shí)，設計人員面臨著(zhù)很多選擇。方法非常廣泛， 從使用通用運算放大器或模數轉換器 (ADC)（無(wú)論 是獨立工具還是嵌入到微控制器 (MCU) 中），到利用各種專(zhuān)門(mén)為電流檢測而設計的定制組件，不僅可以提供最大的靈活性，而且能夠以特定方式解決難題。

另一個(gè)難題是如何快速有效地縮小選擇范圍，找到 與您的特定系統要求最為匹配的潛在器件。TI 應用手冊通過(guò)解決特定用例，重點(diǎn)介紹如何識別電路/功能問(wèn)題，以及簡(jiǎn)要介紹與該功能 相關(guān)的任何難題，從而讓上述難題迎刃而解。此外，TI 應用手冊還概述了能夠支持該特定功能的 潛在器件的簡(jiǎn)短列表，以及可能有益于其他電路優(yōu)化的一些替代解決方案。

該電子書(shū)中所述的應用手冊集沒(méi)有詳盡地列出所有 電流檢測難題和 TI 應用手冊，但它確實(shí)解決了當 今出現的許多更加常見(jiàn)且具有挑戰性的功能電路。 如果您對此處涉及的主題有任何疑問(wèn)或者有任何其他電流檢測疑問(wèn)，請將其提交至 TI E2E? 社區中的放大器論壇。

第 2 章：超出范圍電流測量

測量電流以檢測超出范圍的情況

流經(jīng)系統的電流量反映了系統的運行效率。了解系統運行情況的一個(gè)基本切入點(diǎn)是將從電源拉取的電流與該特 定運行條件下的預定義目標范圍進(jìn)行比較。如果電流超出預期水平，表示系統中存在耗電量超出預期的元件。同理，如果電流低于預期，則可能表示系統某部分的供 電情況異?；蛘呱踔撂幱跀嚯姞顟B(tài)。

可以通過(guò)多種方法來(lái)診斷系統中的故障情況，具體取決于超出范圍指示的預期用途。一種方法是監測整個(gè)系統的電流消耗，以確定電源中潛在的破壞性偏移。在這種情況下，測量精度一般并不重要，僅需簡(jiǎn)易警報指示發(fā)生超限。

通常使用熔斷器來(lái)提供短路保護，防止系統流入破壞性電流。在發(fā)生超出范圍情況時(shí)，熔斷器會(huì )熔斷，從而斷開(kāi)電路。此時(shí)，必須更換熔斷器才能確保系統重新正常 運行。在最壞的情況下，如果難以獲取熔斷器，則需要 將系統交付至修理廠(chǎng)。

熔斷器響應特定電流閾值的效率受限于時(shí)間 - 電流相 關(guān)性。圖 1 顯示了熔斷器的示例時(shí)間-電流響應。

圖 1：典型的時(shí)間-電流熔斷器曲線(xiàn)

在另一種過(guò)流保護方案中，系統會(huì )在檢測到偏移時(shí)對其 自身進(jìn)行保護，但在故障條件被清除后立即恢復正常運行。這種保護方法使用比較器將監測的工作電流水平與定義的閾值進(jìn)行比較，尋找超出范圍的情況。為特定應用創(chuàng )建必要的檢測級別依賴(lài)于 特定于系統的變量，如所需超出范圍閾值的可調節性、 閾值水平中可接受的裕度以及必須以多快的速度檢測出偏移。

INA381是一款專(zhuān)用電流檢測放大器，具有集成的獨立比較器，能夠 執行與超出范圍檢測所需的預期工作閾值的基本比較。 圖 2 顯示了 INA381 測量電流檢測電阻器上產(chǎn)生的差分 電壓以及與用戶(hù)可調節的閾值水平進(jìn)行比較的情形。 超出閾值水平后，警報輸出會(huì )拉低。INA381 的警報 響應能夠快至在10μs后跟蹤電流偏移。

圖 2：INA381過(guò)流比較器

除故障指示外，可能還需要提供有關(guān)電源實(shí)際拉取的 電流大小或特定負載的信息。對于這些要求，典型的 方法是使用電流檢測放大器和獨立比較器的組合，如圖 3所示。

圖3: 分立式過(guò)流檢測

電流檢測放大器測量檢測電阻器上產(chǎn)生的差分電壓并 將輸出發(fā)送至比較器輸入和模數轉換器 (ADC)。INA301在一個(gè)器件中結合了電流檢測放大器（提供與測量的輸入電流成比例的電壓輸出信號）和板載比較器（用于過(guò)流檢測），如圖 4 所示。

圖4：INA301集成過(guò)流檢測

借助電流信息和超出范圍指示器，系統可根據運行情況 使用多種監測和保護機制。INA301 使用的一種機制是 首先僅監測警報指示器，將其用作故障指示器。在檢測到超出范圍情況并且警報 腳置位后，系統立即開(kāi)始主動(dòng)監測模擬輸出電壓信號，從而允許系統相應地做出響應。系統響應通常是降低系統性能水平、完全關(guān)閉或繼續監測以確 定偏移是否會(huì )成為更嚴重的問(wèn)題。

憑借成正比的輸出電壓和板載過(guò)流檢測功能，系統能夠 僅在必要時(shí)主動(dòng)監測電流信息，從而優(yōu)化系統資源。 INA301 放大器在固定增益 100（增益也可以是 20 或 50）下具有 450kHz 的小信號帶寬和 35μV 的最高輸入失調電壓。除最大增益誤差規格 0.2% 之外，放大器還能快速檢測超出范圍情況。INA301 能夠 實(shí)現精確的輸入測量并快速響應過(guò)流 事件，響應時(shí)間小于 1μs，其中包括輸入信號測量、與用戶(hù)選擇的警報閾值進(jìn)行的比較以及比較器輸出的置位。

備選器件建議

對于需要通過(guò)板載過(guò)電流檢測來(lái)監測高于INA301 36V范圍的電壓軌上電流的應用，應使用INA200。

INA180 是一款常用于使用外部比較器的分立過(guò)流檢測電路的電流檢測放大器。

對于需要監測第二個(gè)故障閾值水平的應用，INA302 采用一 個(gè)具有專(zhuān)用可調節閾值水平的附加超出范圍比較器。

監測電流以識別多種超出范圍的情況

在確定印刷電路板 (PCB) 設計是否正常運行時(shí)，首先 需要查看的參數之一是工作電流。通過(guò)檢查工作電流，您可以立即判斷電路板上是否有器件短路，是否有任何器件 損壞或（在某些情況下）軟件是否按預期運行。傳統方法是使用電流檢測放大器和模數轉換器 (ADC) 來(lái)監測電流是否發(fā)生超出范圍的情況，該方法無(wú)法提供所需的警報響應時(shí)間。此外，使用ADC來(lái)監測過(guò)流警報閾值需要在A(yíng)DC和主機處理器之間持續進(jìn)行通信，這會(huì )不必要地增加系統負擔。

為了實(shí)現識別電流超出范圍情況所需的響應時(shí)間，您 需要使用模擬比較器來(lái)檢測電流何時(shí)超出給定的參考閾值。不過(guò)，在很多情況下，僅設定一個(gè)警報級別不 足以確定系統狀態(tài)，也無(wú)法針對超出范圍的電流作出 相應的系統響應。

為了滿(mǎn)足該要求，可以使用 圖 1 中所示的電路來(lái)監測多種超出范圍的電流情況。

圖1：用于檢測多個(gè)過(guò)流事件的離散實(shí)現

該電路包含五個(gè)器件：一個(gè)電流檢測放大器、兩個(gè)比較器和兩個(gè)基準。圖 1 所示的離散實(shí)現需要謹慎選擇比較器，以獲得所需的警報響應時(shí)間。 如果響應過(guò)慢， 系統可能沒(méi)有充裕的時(shí)間來(lái)采取相應的措施；如果響應過(guò)快，可能觸發(fā)錯誤的警報，進(jìn)而可能導致系統關(guān)斷。 圖 2 顯示了一個(gè)更簡(jiǎn)單的電路，該電路可以解決離散 實(shí)現中存在的設計問(wèn)題。

圖2：INA302 多用途過(guò)流比較器

INA302 能夠檢測兩種超出范圍條件。 較低的超出范圍條件稱(chēng)為過(guò)流警告閾值，而較高的超出范圍條件稱(chēng) 為過(guò)流故障閾值。利用過(guò)流警告閾值，可以檢測電流何時(shí)開(kāi)始變得過(guò)高但尚未達到可能導致系統關(guān)斷的故 障閾值。

當電流超出警告閾值時(shí)， 系統可以選擇通過(guò)禁用子電路、控制電源電壓或降低時(shí)鐘頻率來(lái)降低系統功耗，以降低總系統電流并防止出現 故障。如果確實(shí)發(fā)生過(guò)流故障情況，必須迅速作出響 應，以止發(fā)生進(jìn)一步的系統損壞或故障行為。

為了最大程度地減少組件數量并便于 使用，INA302 的警報閾值通過(guò)單個(gè)外部 電阻器進(jìn)行設置。故障閾值應 設置為高于最壞情況下系統可能會(huì )消耗的電流值。電流 超出該閾值后，INA302 的警報引腳會(huì )在 1μs 內作出 響應。警告閾值依賴(lài)于應用，但通常高于標稱(chēng)工作電 流。警告閾值響應時(shí)間可通過(guò)外部電容器在 3μs 至 1 0s 的范圍內 通過(guò)適當地設置警告閾值延遲時(shí)間，可以將過(guò)流警告閾 值設置為更接近最大直流工作電流，同時(shí)仍可 避免由短暫電流尖峰或噪聲引起的錯誤跳閘。故障閾 值和警告閾值之間更大的間距 為系統提供了額外的時(shí)間，以便在超過(guò)故障閾值之前采取預 防措施。 某些系統允許在觸發(fā)警報之前 在超出警告閾值的情況下運行一段時(shí)間。此類(lèi)應用之一 是監測流向處理器的電源電流?？梢栽试S處理器在超出 正常最大電流水平的情況下短暫地 運行一段時(shí)間，以最大程度地提高關(guān)鍵操作期間的計算 吞吐量。如果電流在超過(guò)設定的延遲時(shí)超出警告閾值， 警報輸出將拉低，以通知主機處理器，以便在發(fā)生過(guò)熱 情況之前電壓或時(shí)鐘頻率會(huì )降低。

在某些系統中，檢測出電流何時(shí)過(guò)低非常有用。對于這些應用，圖 3 中所示的 INA303 可提供過(guò)流和欠流檢 測。進(jìn)行調節。 

圖3：INA303 過(guò)流和欠流檢測

電流超出過(guò)流故障閾值后，ALERT1 輸出將在 1μs 內作出響應。不過(guò)，如果電流降至欠流閾值以下， 則通過(guò)延遲電容器來(lái)設置 ALERT2 響應時(shí)間。正常 運行狀態(tài)下可能出現短暫欠流情況。不過(guò)，如果欠流情況的持續時(shí)間長(cháng)于預期，則可能是由損壞的器件或即將發(fā)生故障的系統導致的。在這種情 況下，警報輸出可向系統控制器通知這一情況，并且 可以在系統發(fā)生故障之前實(shí)施故障處理程序。

欠流檢測的另一個(gè)用途是確認系統狀態(tài)是否正確。某些 系統會(huì )進(jìn)入低功耗模式，該模式下的電流低于正常工作 范圍。在這種情況下，欠流警報輸出可以通知主機系統 確實(shí)已進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)。

在某些設計中，只有當電流超出預期的工作范圍時(shí)才需 要通知。對于這些情況，可將兩路警報輸出連接在一 起，從而將 INA303 配置為在窗口模式下運行，如圖 4 所示。在該模式下，只要電流處于正常運行窗口內，單 路警報輸出就處于高電平。

圖4: INA303 窗口模式運行

備選器件建議

INA226 可用于需要數字電流監測的應用。如果您只需要 單路數字警報輸出，那么 INA300 可以采用微型 2mm x 2mm 無(wú)引線(xiàn)四方扁平 (QFN) 封裝。 對于除模擬電流信號外僅需使用單路警報輸出的應 用，INA301 可在 1μs 內作出響應，從而提供出色的電 流監測精度。

用于提供過(guò)流保護的高側電機電流監測

高精度大功率電機系統通常需要將轉速、轉矩和位置 等詳細反饋發(fā)送回到電機控制電路，從而高效精確地控制電機運行。

更簡(jiǎn)單的電機控制應用（例如固定運動(dòng)任務(wù)）可能不需 要相同水平的精確系統反饋，因為它們可能只需要知道 系統是否在其路徑中遇到意外物體或者電機繞組是否短 路。添加簡(jiǎn)單的超出范圍檢測功能可以使指示超出范圍事件的速度有所提升，因此實(shí)現動(dòng)態(tài)控制和主動(dòng)監測的更復雜的電機控制系統能夠從中獲益。

通過(guò)將電流檢測放大器與直流電源串聯(lián)，驅動(dòng)電機驅動(dòng) 電路的高側 - 如圖 1 所示 - 可以輕松測量流入電機 的總電流， 以檢測超出范圍的情況。要檢測微小的泄漏，您還可以 測量低側返回電流。高側和低側電流電平之間的差異表 明在電動(dòng)機或電動(dòng)機控制電路內存在泄漏路徑。

圖1：低側和高側電流檢測

直流電壓電平隨電機額定電壓而異，從而導致可適應 相應電壓電平的多種電流測量解決方案。對于低電壓 電機（約 5V），選擇用于監測此電流的電路要簡(jiǎn)單得多，因為多種放大器類(lèi)型（電流檢測、運算、 差分、儀表）可以執行電流測量功能并支持該共模輸入 電壓范圍。

對于電壓較高的電機（如 24V 和 48V），可用的選項 局限于專(zhuān)用電流檢測放大器和差分放大器。隨著(zhù)電壓要 求不斷提高，測量誤差開(kāi)始影響有效確定超出范圍情況的能力。

一種用于說(shuō)明放大器在高輸入電壓電平下運行時(shí)的有 效性的規格是共模抑制 (CMR)。該規格直接說(shuō)明了放 大器輸入電路對高輸入電壓干擾的抑制效果。在理想情況下，放大器可以完全抑制或消除兩個(gè)輸入引腳的 共用電壓并且僅對兩者之間的差分電壓進(jìn)行測試它們。不過(guò)，隨著(zhù)共模電壓的上升，放大器輸入級 中的漏電流將導致額外的輸入失調電壓。較大的輸入范 圍級別將按比例產(chǎn)生較大的測量誤差。

例如，CMR 規格為 80dB 的放大器（差分或電流監測） 會(huì )在測量結果中根據輸入電壓電平引入較大的失調電 壓。CMR 規格 80dB 對應于針對施加到輸入的每伏特電 壓在測量中產(chǎn)生額外的 100μV 失調電壓。

許多器件具有規定的工作條件（例如，共模電壓 [VC M] = 12V，電壓源 (VS) = 5V），這建立了默認規格 （具體而言，即 CMR 和電源抑制比 [PSRR]）的基 線(xiàn)。例如，在 60V 共模電壓下運行會(huì )導致 VCM 變化 48V (60V-12V)。在 80db CMR 下，除了器件數據表中指定的輸入失調電壓之外，48V 變化還會(huì )導致產(chǎn)生額 外的 4.8mV 失調電壓。

該額外產(chǎn)生的失調電壓不會(huì )顯著(zhù)影響采用校準方案的應 用。不過(guò)，對于系統校準無(wú)法解決該偏移漂移的應用， 選擇具有更佳 VCM 抑制的放大器至關(guān)重要。 INA240 是一款專(zhuān)用的電流檢測放大器，其共模輸入電 壓范圍為 -4V 至 +80V，在該器件的整個(gè)輸入和溫度范 圍內的最壞 CMR 規格為 120dB。 120dB 的 CMR 對應 于共模電壓每變化 1V 額外產(chǎn)生 1μV 的輸入失調電 壓。溫度對放大器抑制共模電壓能力的影響在許多產(chǎn)品 的數據表中都沒(méi)有詳細記錄，因此除了室溫規格之外， 您還應對該影響進(jìn)行評估。 INA240 在整個(gè) -40°C 至 +125°C 的溫度范圍內可確 保 120dB CMR 規格。INA240 在整個(gè)溫度范圍內的典型 CMR 性能為 135dB（每變化 1V 產(chǎn)生的失調電壓小于 0. 2μV），如圖 2 所示。

圖2：共模抑制與溫度間的關(guān)系

系統控制器能夠根據電流檢測放大器的測量結果來(lái)評估系統的運行情況。將當前信息與預定義的運行閾值進(jìn)行比較可以檢測出超出范圍事件。高側電流檢測放大器后面的比較 器可以輕松檢測并快速向系統發(fā)出警報，從而使系統能夠采取糾正措施。

圖 3 說(shuō)明了用于在測量驅動(dòng)電動(dòng)機驅動(dòng)電路的高電壓軌 上的電流時(shí)監測和檢測超出范圍偏移的信號鏈路徑。 與 測量的輸入電流成正比的輸出信號會(huì )被導入 ADC，并且 還被 發(fā)送到比較器以檢測過(guò)電流事件。如果輸入電流電平超出作為比較器基準電壓的預定義閾值，則比較器警報將置位。

對過(guò)流檢測電路的一項關(guān)鍵要求是能夠檢測出超出范 圍情況并快速作出響應。100kHz 的信號帶寬和 2V/ μs 的壓擺率使 INA240 能夠在幾微秒的時(shí)間內精確 測量和放大輸入電流信號，并將輸出發(fā)送到高速比較器，以根據短路情況 發(fā)出警報。該短暫的響應時(shí)間可確保系統中流過(guò)的意外過(guò)大電流不會(huì )損壞其他關(guān)鍵系統組件。 

圖3: 高側過(guò)流檢測

備選器件建議

您可以將 LMP8640HV 用于測量高電壓能力的應用，這些 應用需要更高的信號帶寬或更小的封裝。 對于需要能夠承受更高電壓的應用，可選擇 INA149，這 是一款高性能差分放大器，能夠連接高達 ±275V 的共 模電壓 （電源電壓為 ±15V），并保證 CMR 為 90dB（或輸入 每變化 1V，產(chǎn)生 31.6μV 的失調電壓）。 INA301 是一款具有板載比較器的精密電流檢測放大器， 可檢測高達 36V 的共模電壓下的過(guò)流事件。