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電流檢測(cè)放大器的基礎(chǔ)知識(shí)，類型和設(shè)計(jì)指南
電流檢測(cè)放大器是專用放大器，其輸出電壓與在電源軌中流動(dòng)的電流成比例。電流檢測(cè)放大器也稱為電流分流放大器，因?yàn)樗陔娫窜壷惺褂昧艘粋€(gè)分流電阻器，當(dāng)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(cè)放大器轉(zhuǎn)換并放大為較小的輸出電壓。您還可以簽出ACS712，它也用于測(cè)量電流，但使用基于霍爾效應(yīng)的傳感器。
這些放大器是為特殊目的而設(shè)計(jì)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(cè)電壓，通常在10至100 mV的范圍內(nèi)。電流檢測(cè)放大器專為實(shí)現(xiàn)DC精度（例如，低輸入失調(diào)電壓）和高共模抑制比（CMRR）而設(shè)計(jì)。電流檢測(cè)放大器可以測(cè)量在單個(gè)方向上流動(dòng)的電流，也可以測(cè)量通過(guò)檢測(cè)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(cè)兩個(gè)方向的電流，則稱為雙向電流檢測(cè)放大器。
在本文中，我們將使用示例電路評(píng)估不同類型的電流檢測(cè)放大器。
電流檢測(cè)放大器和普通放大器之間的區(qū)別
普通放大器和電流檢測(cè)放大器具有不同的規(guī)格，它們是為特定目的而制造的。運(yùn)算放大器有很多類型，您可以閱讀本文以了解流行的運(yùn)算放大器IC及其應(yīng)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(cè)放大器可以檢測(cè)和放大非常少量的電壓，并且CMRR相對(duì)較高。
對(duì)于普通的差分放大器或標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)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(duì)位于電源軌后面或具有公共接地路徑的信號(hào)進(jìn)行操作。如果將外部電壓施加到標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)部ESD保護(hù)二極管，并可能導(dǎo)致大電流流過(guò)。
但是，電流檢測(cè)放大器的設(shè)計(jì)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(duì)于普通放大器和電流檢測(cè)放大器而言，共模電壓都是重要的參數(shù)。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?yàn)檫\(yùn)算放大器基于共模電壓區(qū)分和產(chǎn)生輸出的能力有限。普通運(yùn)算放大器支持一小段共模電壓，不適用于精密級(jí)電流感測(cè)操作。但是對(duì)于電流檢測(cè)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(duì)于電流檢測(cè)放大器，INA240能夠在低至2.7V的電源上運(yùn)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(duì)于理想的運(yùn)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(hào)將在測(cè)量值上反映多少。因此，對(duì)于電流檢測(cè)放大器而言，它是一個(gè)重要的參數(shù)，因?yàn)樗鼘⒃谳敵龆朔从吵龇浅５偷墓材Ｐ盘?hào)，從而為開拓普遍的電流檢測(cè)能力提供了可能性。電流檢測(cè)放大器具有較高的CMRR，并且可以檢測(cè)較小的共模信號(hào)。CMRR還負(fù)責(zé)降低電流檢測(cè)線上的噪聲。
如何使用電流檢測(cè)放大器IC設(shè)計(jì)電路
假設(shè)采用12V 1A線路的設(shè)計(jì)，其中需要使用大電流檢測(cè)電路。在這種情況下，一個(gè)電流檢測(cè)電路可以使用內(nèi)置電流檢測(cè)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(cè)放大器。
由于最大額定電流為1A，并且沒(méi)有描述指定的負(fù)載，因此需要選擇一個(gè)電流檢測(cè)放大器，該放大器可在12V電源下工作，并且可以檢測(cè)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(cè)來(lái)檢測(cè)故障或適當(dāng)?shù)亩搪窢顩r。但是，低端電流檢測(cè)也可以工作。我們將在本文后面討論兩者之間的區(qū)別。
由于負(fù)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用電流檢測(cè)放大器配合使用。對(duì)于該電路，可以使用LT6108，因?yàn)樗梢栽?/span>2.7V至60V的電壓下工作。該放大器的CMRR也很高，高達(dá)125dB。因此，該放大器可以在12V電源下工作，并且可以檢測(cè)到非常小的電流。
以上電流檢測(cè)放大器電路是使用LT6108構(gòu)建的。0.1歐姆電阻是感測(cè)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控制的開關(guān)MOSFETMOSFET。放大器可以將開關(guān)MOSFET關(guān)斷為預(yù)設(shè)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(fù)載MOSFET。但是，對(duì)于高于1A的跳閘電壓，可以通過(guò)電流檢測(cè)放大器INC引腳兩端的分壓器來(lái)設(shè)置目標(biāo)值。電流檢測(cè)放大器的OUTA引腳上的Vout可用于檢查通過(guò)電流檢測(cè)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(cè)放大器來(lái)構(gòu)造，該電流檢測(cè)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(yīng)用電路的電流感應(yīng)IC的類型
低側(cè)電流檢測(cè)
如前所述，使用分流電阻器感測(cè)電流，并且根據(jù)分流電阻器的位置，電流感測(cè)技術(shù)會(huì)有所不同。低端電流測(cè)量使用。因此，創(chuàng)建活動(dòng)負(fù)載的GND路徑時(shí)，無(wú)論負(fù)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(cè)電流測(cè)量電路。
以上電路是低壓側(cè)電流檢測(cè)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(cè)放大器，并將輸出提供給ADC，該ADC將以I2C協(xié)議提供數(shù)據(jù)。右圖使用的是ADI公司的電流檢測(cè)放大器AD8202。它正在感測(cè)電感負(fù)載的低壓側(cè)電流。
優(yōu)點(diǎn)：
低壓側(cè)電流測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是，易于實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榉至麟娮鑳啥说臋z測(cè)電壓均以GND為基準(zhǔn)。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(cè)放大器。同樣，由于檢測(cè)到的電壓低，可以忽略共模抑制。
缺點(diǎn)：
低端電流測(cè)量的主要缺點(diǎn)是負(fù)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，這種情況在負(fù)載與地面之間的短路情況下會(huì)變得很麻煩，因?yàn)榉至麟娮杵鳠o(wú)法檢測(cè)到流過(guò)負(fù)載電路的電流很大。
高端電流檢測(cè)
與低壓側(cè)電流檢測(cè)相同，高壓側(cè)電流測(cè)量使用相同的分流電阻，但放置在電源和有功負(fù)載之間。在下圖中，顯示了高電流檢測(cè)放大器電路。
以上電路是高端電流檢測(cè)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(shù)據(jù)。右圖使用的是ADI公司的LT6100。它與負(fù)載的保險(xiǎn)絲一起檢測(cè)高端電流。
優(yōu)點(diǎn)：
高端電流測(cè)量比低端測(cè)量有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)。首先，它克服了無(wú)法檢測(cè)到負(fù)載與地短路的低端電流檢測(cè)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(cè)負(fù)載和接地之間的短路情況。
其次，在該電路中，將負(fù)載放置在參考的適當(dāng)接地中，如果使用ADC轉(zhuǎn)換，則分流電阻器的差分輸入可以檢測(cè)出準(zhǔn)確的負(fù)載電流，而無(wú)需額外的努力。
缺點(diǎn)：
但是高端電流測(cè)量技術(shù)需要很高的共模抑制性能，因?yàn)樵诜至麟娮鑳啥水a(chǎn)生的小電壓低于負(fù)載電源電壓。
雙向電流感測(cè)
雙向電流檢測(cè)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(cè)各種共模電壓的能力。雙向電流感測(cè)技術(shù)比低壓側(cè)和高壓側(cè)感測(cè)有些復(fù)雜。有多種方法可以檢測(cè)雙向電流。在某些情況下，例如上圖，其中兩個(gè)電流檢測(cè)放大器INA300的連接方式將通過(guò)任何電流檢測(cè)放大器以兩種方式檢測(cè)電流。該電路需要反極性保護(hù)以及一種開關(guān)技術(shù)，該技術(shù)將根據(jù)電路的極性來(lái)切換放大器的輸出。
檢測(cè)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(cè)跨接檢測(cè)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?yàn)橐粋€(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(cè)
隔離電流感測(cè)技術(shù)使用適當(dāng)?shù)?/span>CT 變壓器或霍爾效應(yīng)感應(yīng)，當(dāng)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(cè)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(cè)放大器INA199。
這就是電流感測(cè)放大器與不同電流感測(cè)技術(shù)一起使用的方式。