高端電流檢測：差動(dòng)放大器vs.電流檢測放大器

　　在電機控制、電磁閥控制以及電源管理（如DC/DC轉換器與電池監控）等諸多應用中，高精度的高端電流檢測都是必需的。在這種應用中，對高壓側電流而非回路電流進(jìn)行監控，可以提高診斷能力，如確定對地短路電流以及連續監控回流二級管電流，避免使用取樣電阻，保持接地的完整性。圖1、圖2和圖3分別給出電磁閥控制及電機控制的典型高壓側電流取樣配置。

　　在上述所有配置中，監控負載電流的取樣電阻上的PWM共模電壓在從地到電源的范圍內擺動(dòng)。利用從電源級到FET的控制信號可以確定這個(gè)PWM輸入信號的周期、頻率和上升/下降時(shí)間。因此，監控取樣電阻上電壓的差分測量電路應具有極高共模電壓抑制與高壓處理能力，以及高增益、高精度和低失調——其目的是為了反映真實(shí)的負載電流值。

　　在使用單一控制FET的電磁閥控制中(見(jiàn)圖1)，電流始終沿同一方向流動(dòng)，因此單向電流檢測器就足夠了。在電機控制配置中(見(jiàn)圖2與圖3)，電機相位進(jìn)行分流意味著(zhù)取樣電阻中的電流沿著(zhù)兩個(gè)方向流動(dòng)，因此，需要雙向電流檢測器。

                圖1 典型電磁閥控制中的高壓側分流

　　許多半導體供應商都為高壓側電流檢測提供了多種方案。研究這類(lèi)應用的設計工程師發(fā)現，這些方案都可以遵循兩個(gè)截然不同的高壓結構來(lái)進(jìn)行分類(lèi)：電流檢測放大器和差動(dòng)放大器。

                       圖2 典型H橋電機控制中的高壓側分流

                          圖3 典型三相電機控制中的高壓側分流

　　接下來(lái)，我們將會(huì )詳細介紹這兩種架構的重要差異，以幫助高壓側電流檢測設計工程師選擇最適合應用的器件。我們將比較兩個(gè)高壓器件：雙向差動(dòng)放大器AD8206和雙向電流檢測放大器AD8210。這兩個(gè)器件具有相同的引腳，都具備高端電流取樣監控功能，但其性能指標與架構卻不同。那么，如何選擇合適的器件呢？

                      圖4  AD8206內部結構示意圖

　　它們如何工作

　　AD8206(見(jiàn)圖4)是一款集成的高壓差動(dòng)放大器,通過(guò)內置輸入電阻網(wǎng)絡(luò )能夠將輸入電壓削弱至1/16.7，可承受高達65V的共模電壓，以使共模電壓保持在放大器A1的輸入電壓范圍內。但是，其內部的輸入電阻網(wǎng)絡(luò )也會(huì )使差分信號以同樣比例衰減。為了實(shí)現AD8206的20V/V增益，放大器A1與A2必須將差分信號放大約334V/V。

　　這個(gè)器件通過(guò)將輸出放大器偏置到電源范圍內的適當電壓，來(lái)實(shí)現雙向輸入測量。電阻分壓網(wǎng)絡(luò )與放大器A2同向輸入端連接，外部低阻抗電壓施加到精密配置的電阻分壓網(wǎng)絡(luò )，來(lái)實(shí)現偏置。AD8206的一個(gè)優(yōu)異特性是：當共模電壓為-2V（相當于250mV的共模偏置電路，如圖4所示）時(shí)，它能夠正確地放大差分輸入電壓。

　　AD8210(圖5)是最近推出的一款高壓電流檢測放大器，功能與AD8210一樣，并且引腳兼容。但是，AD8210的工作方式與差動(dòng)放大器不同,其性能指標也不同。

                          圖5 AD8210功能示意圖

　　一個(gè)明顯的區別是輸入結構不依靠電阻分壓網(wǎng)絡(luò )來(lái)處理高共模電壓。輸入放大器包括一個(gè)采用XFCB IC制作工藝制造的高壓晶體管，由于此類(lèi)晶體管的VCE擊穿電壓超過(guò)65V，因此輸入端的共模電壓可以高達65V。

　　電流檢測放大器如AD8210，采用如下方式放大小差分輸入電壓。輸入端通過(guò)R1和R2與差動(dòng)放大器相連。利用晶體管Q1和Q2，可以調整流過(guò)R1和R2的電流，從而使放大器A1輸入端的電壓為零。當AD8210的輸入信號為0V時(shí)，R1和R2中的電流相等。當差分信號非零時(shí)，其中一個(gè)電阻的電流增加，而另外一個(gè)電阻的電流下降。電流差與輸入信號大小成比例，極性相同。流過(guò)Q1和Q2的差分電流由兩個(gè)精密調整的電阻轉換成以地為參考的差分電壓。接著(zhù)，放大器A2利用低壓晶體管——由其5V(典型值)電源供電——對該電壓進(jìn)行放大，實(shí)現最終輸出增益達到20。