电流检测概念与基础.pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.37M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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简介

电流检测电阻

说明

选择标准

电流检测技术

下桥臂电流检测

图1：下桥臂电流检测

上桥臂电流检测

图2：上桥臂电流检测

上桥臂电流检测的实现

单运放差分放大器

图3：单运放差分放大器

公式1：

例1

公式2：

例2

三运放仪表放大器

图4：三运放仪表放大器

公式3：

公式4：

例3

双运放仪表放大器

公式5：

图5：双运放仪表放大器

公式6：

例4

公式7：

图6：具有附加RG的双运放仪表放大器

摘要

参考资料

商标

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AN1332 电流检测电路概念和基础作者： Yang Zhen Microchip Technology Inc. 电流检测电阻说明简介电流检测是各种电子应用中的基本要求。受益于电流检测的典型应用包括： • 电池寿命指示器和充电器 • 过流保护和监控电路 • 稳流器和稳压器 • 直流 / 直流转换器 • 接地故障检测器 • 线性电源和开关电源 • 比例电磁阀控制，线性或 PWM • 医疗诊断设备 • 手持通信设备 • 汽车电源电子设备 • 电机速度控制和过载保护本应用笔记重点讨论电流检测电路的概念和基础。将介绍电流检测电阻和电流检测技术，并说明三种典型的上桥臂电流检测实现方案以及各自的优点和缺点。其他电流检测实现方案超出了本应用笔记的范围，将留待 Microchip Technology Incorporated 以后的应用笔记进行介绍。电流传感器是电流的检测和转换设备，可将电流转换为易于测量的输出电压，该电压在测量路径中与电流成正比。传感器多种多样，每种传感器都适用于特定的电流范围和环境条件。没有一种传感器适合所有应用。在这些传感器中，电流检测电阻是最常用的。可以将其看作电流 - 电压转换器，原理是在电流路径中插入一个电阻，将电流以 V = I × R 的线性方式转换为电压。电流检测电阻的主要优点和缺点包括： a) 优点： - 低成本 - 高测量精度 - 可测量电流的范围从非常低到中等电流大小 - 能够测量直流或交流电流 b) 缺点： - 将额外的电阻引入了测量电路路径，这可能增大源输出电阻并产生不需要的负载效应 - 由于功耗P = I2 × R而产生功率损耗。因此，除了中低电流检测应用外，很少有大电流应用使用电流检测电阻。  2013 Microchip Technology Inc. DS01332B_CN 第 1 页

AN1332 选择标准使用低值检测电阻可减少前文提到的缺点。但是，检测电阻两端的压降可能会低到与后面的模拟调理电路的输入失调电压相当，这会降低测量精度。此外，如果测量的电流含有较大的高频分量，则电流检测电阻的固有电感必须很低。否则，电感可产生电动势（Electromotive Force，EMF），这也会降低测量精度。此外，当要求测量精度时，电阻容差、温度系数、热电动势、额定温度和额定功率也是电流检测电阻的重要参数。简言之，电流检测电阻的选择对于设计任何种类的电流监视器都是至关重要的。以下选择标准可用作指导： 1. 低电阻紧容差，以在精度与功耗之间建立平衡 2. 高电流能力和高峰值功率额定值，以处理短时和瞬态峰值电流 3. 低电感，以减少由高频分量产生的电动势 4. 低温度系数、低热电动势和耐高温能力（如果温度变化较大）电流检测技术本节介绍两种适用于电流检测应用的基本技术：下桥臂电流检测和上桥臂电流检测。每种技术都有自己的优点和缺点，接下来的主题中将详细讨论。下桥臂电流检测如图1所示，下桥臂电流检测将检测电阻连接在负载和地之间。通常，检测到的电压信号（VSEN = ISEN RSEN）非常小，需要经后面的运放电路（例如，同相放大器）放大才能得到可测量的输出电压（VOUT）。 × 电源负载 ISEN RSEN ISEN 运放电路 VOUT 图1：下桥臂电流检测 a) 优点： - 低输入共模电压 - 低 VDD 部件 - 接地参考的输入和输出 - 简单且低成本 b) 缺点： - 接地路径干扰 - 系统接地增大了负载，因为 RSEN 向接地路径增加了不需要的电阻 - 意外短路引起的高负载电流变得无法检测在单电源配置中，下桥臂电流检测最重要的方面是运放的共模输入电压范围（VCM）必须包括地。MCP6H0X 运放是很好的选择，因为其 VCM 从 VSS – 0.3V 到 VDD – 2.3V。考虑到优点，当不需要短路检测并且可以容忍接地干扰时，可选择下桥臂电流检测。 DS01332B_CN 第 2 页  2013 Microchip Technology Inc.

上桥臂电流检测如图 2 所示，上桥臂电流检测将检测电阻连接在电源和负载之间。检测到的电压信号经后面的运放电路放大得到可测量的 VOUT。电源 ISEN RSEN ISEN 负载运放电路 VOUT 图2：上桥臂电流检测 a) 优点： - 消除了接地干扰 - 负载直接连接到系统地 - 可检测到意外短路引起的高负载电流 b) 缺点： - 必须能处理非常高的动态共模输入电压 - 复杂且成本较高 - 高 VDD 部件在单电源配置中，上桥臂电流检测最重要的方面是： • 差分放大器的VCM范围必须足够宽，以承受高共模输入电压 • 差分放大器能够抑制动态共模输入电压 MCP6H0X 运放很适合上桥臂电流检测，接下来的一节将详细讨论。 AN1332 上桥臂电流检测的实现在不能容忍接地干扰并且需要短路检测的应用（例如，电机监控、过流保护和监控电路、汽车安全系统以及电池电流监视）中，通常选择上桥臂电流检测。本节将讨论三种典型的上桥臂电流检测实现方案，以及各自的优点和缺点。根据不同的应用要求，总有一种选择是最合适的。单运放差分放大器图 3 给出了包含 MCP6H01 运放和四个外部电阻的单运放差分放大器。它可通过增益 R2/R1 放大检测电阻两端的较小压降，同时抑制共模输入电压。电源 R1 V1 ISEN RSEN ISEN R2 VDD MCP6H01 VREF VOUT V2 R1* R2* 负载 R1 = R1*，R2 = R2* RSEN << R1，R2 R2  ------  R1 V1 V2–      VOUT = + VREF 图3：单运放差分放大器差分放大器的共模抑制比（CMRRDIFF）主要由电阻不匹配（R1、R2、R1* 和 R2*）决定，而不是由 MCP6H0X 运放的 CMRR 决定。  2013 Microchip Technology Inc. DS01332B_CN 第 3 页

简言之，差分放大器的 VDM 和 VCM 必须满足公式 2 中所示的要求：公式 2： VOL VREF ----------------------------- VDM – G VOH VREF ------------------------------  – G VCM   VCMRL VREF –  R1   ------+ 1   R2 R1  ------+ 1  R2   + VDM ----------- 2 – VDM ----------- 2 AN1332 R2/R1 和 R2*/R1* 的电阻比必须良好匹配，才能获得可接受的 CMRRDIFF。但是，紧容差电阻将增加此电路的成本。直流 CMRRDIFF 如公式 1 所示。公式 1： CMRRDIFF log 20 R2 1 ------+  R1  ----------------  K        在最坏情况下，K = 4TR VCM   VCMRH VREF –  其中： TR = 电阻容差 K = R2/R1 与 R2*/R1* 的净匹配容差 CMRRDIFF（dB） = 差分放大器的共模抑制比例 1 • 如果 R2/R1 = 1 且 TR = 0.1%，则最坏情况下的直流 CMRRDIFF 将为 54 dB。 • 如果 R2/R1 = 1 且 TR = 1%，则最坏情况下的直流 CMRRDIFF 将仅为 34 dB。此外，RSEN 应远小于 R1 和 R2，以将阻性负载效应降至最低。从 V1 和 V2 的角度看，差分放大器的输入阻抗是不平衡的。请注意，阻性负载效应和不平衡的输入阻抗会降低 CMRRDIFF。参考电压（VREF）允许放大器的输出转换为相对于地较高的电压。VREF 必须由低阻抗电源提供，以避免 CMRRDIFF 更差。此外，如图 3 所示，输入电压（V1 和 V2）可由共模输入电压（VCM）和差模输入电压（VDM）表示： • V1 = VCM + VDM/2，V2 = VCM – VDM/2 • VOUT = (V1 – V2) × G + VREF = VDM × G + VREF，其中 G = R2/R1 为了防止 VOUT 使电源轨饱和，必须将其保持在允许的 VOUT 范围（VOL 到 VOH）内。差分放大器的 VCM 范围由于 R1、R2、R1* 和 R2* 形成的分压电阻而增大。其中： G = R2/R1 ；差分放大器的增益 VDM = V1 – V2；差分放大器的差模输入电压 VCM = (V1 + V2)/2 ；差分放大器的共模输入电压 VOH = 运放高电平输出 VOL = 运放低电平输出 VCMRH = 运放共模输入电压上限 VCMRL = 运放共模输入电压下限例 2 参考图 3 并假设 VDD = 16V，VSS = GND，VREF = GND， R2/R1 = 1 且 RSEN 两端压降为 200 mV。因此，按照 MCP6H01 数据手册（DS22243C_CN）， VCMRH = VDD– 2.3V =13.7V，VCMRL =VSS–0.3V = -0.3V。根据公式2，差分放大器的可接受 VCM 为 -0.5V 至 27.3V。差分放大器的优点和缺点包括： a) 优点： - 合理的共模抑制比（CMRRDIFF） - 宽广的共模输入电压范围 - 低功耗、低成本且简单 b) 缺点： - 阻性负载效应 - 不平衡的输入阻抗 - 调整差分放大器的增益需更改多个电阻值 DS01332B_CN 第 4 页  2013 Microchip Technology Inc.

三运放仪表放大器三运放仪表放大器（3 运放 INA）如图 4 所示。它可放大较小的差分电压并抑制较大的共模电压。 V1 = VCM + VDM/2 1/4 MCP6H04 A1 电源 ISEN RSEN ISEN 负载 AN1332 VOUT1 R1 R2 VREF RF RG RF 1/4 MCP6H04 A3 VOUT R1* R2* V2 = VCM - VDM/2 1/4 MCP6H04 A2 VOUT2 VOUT =  V1 V2–   + 1  2RF  ----------  RG    R2  ------  R1 + VREF =  V1 V2–   + 1  2RF  ----------  RG + VREF 其中设置 R1 = R1*= R2 = R2* 图4：三运放仪表放大器 3 运放 INA 的架构包括： 1. 第一级第一级由一对高输入阻抗缓冲器（A1 和 A2）以及电阻（RF和RG）实现。这两个缓冲器可避免输入阻性负载效应和不平衡输入阻抗问题。此外，电阻 RF 和 RG 可将缓冲器对的差模电压增益（GDM）增至 1 + 2RF/RG，同时使共模电压增益（GCM）等于 1。根据公式 CMRR = 20 log (GDM/GCM)，此方法的一个优点是可以大幅度提高3运放INA的CMRR（CMRR3INA）。因此，理论上 CMRR3INA 将随着 GDM 的增加而成比例增大。另一个优点是仅调整 RG 的阻值即可修改 3 运放 INA 的总增益，而无需调整 R1、R1*、R2 和 R2* 的阻值。 2. 第二级第二级由一个差分放大器（A3）实现，该放大器可放大差模电压并抑制共模电压。在实际应用中，R2/R1 的比值通常设置为 1。 CMRR3INA 主要由第一级的差模电压增益以及 R2/R1 和 R2*/R1* 的净匹配容差决定。请注意，电阻 RF 和 RG 的容差不影响 CMRR3INA。  2013 Microchip Technology Inc. DS01332B_CN 第 5 页

AN1332 直流 CMRR3INA 如公式 3 所示。公式 3： CMRR3INA log 20 2RF  2  1 ---------- +   RG  ---------------------------------  K        在最坏情况下，K = 4TR 其中： TR = 电阻容差 K = R2/R1 与 R2*/R1* 的净匹配容差 CMRR3INA（dB） = 3 运放 INA 的共模抑制比但是，对于 3 运放 INA，有一个常见问题很容易被忽略。该问题存在于 3 运放 INA 缩小的共模输入电压范围（VCM）中。参考图 4，输入电压（V1 和 V2）可由共模输入电压（VCM）和差模输入电压（VDM）表示。即， V1 = VCM + VDM/2，V2 = VCM – VDM/2。放大器（A1 和A2）提供了一个等于总增益（G）的差模电压增益（GDM）和一个等于 1 的共模增益（GCM）。 VOUT1 = VCM × GCM + (VDM/2) × GDM = VCM + (VDM/2) × G VOUT2 = VCM×GCM – (VDM/2) × GDM = VCM – (VDM/2) × G VOUT = VDM × G + VREF 为了防止 VOUT1、VOUT2 和 VOUT 使电源轨饱和，必须将它们保持在允许的输出电压范围（VOL 到 VOH）内。或者换句话说，3 运放 INA 的 VDM 和 VCM 必须满足公式 4 中所示的要求。公式 4： VOL + 其中： VOL VREF ----------------------------- VDM  – G VDM ----------- G 2 VOH VREF – ------------------------------ G VDM ----------- G 2 –  VCM V OH G = 1 + 2RF/RG ；总增益 VDM = V1 – V2 ； 3 运放 INA 的差模输入电压 VCM = (V1 + V2)/2 ； 3 运放 INA 的共模输入电压 VOH = 运放高电平输出 VOL = 运放低电平输出例 3 参考图 4 并假设 VREF = 0V，VDD = 15V，VSS = 0V， VOH = 14.47V，VOL = 0.03V， RF = R1 = R1* = R2 = R2* = 100 k，RG = 2 k，且 RSEN 两端的压降为 100 mV。因此，根据公式 4，总增益 G 等于 100 V/V，留给 3 运放 INA 的 VCM 的电压范围仅为 5.03V 至 9.47V。此范围小于 MCP6H01 运放的 VCM 范围，后者在 VDD = 15V 时为 -0.3V 至 12.7V。总之，在高增益配置下工作时，3 运放 INA 的 VCM 范围将大幅缩小。 3 运放 INA 的优点和缺点包括： a) 优点： - 高共模抑制比（CMRR3INA） - 无阻性负载效应 - 平衡的输入阻抗 - 无需更改多个电阻值即可调整总增益 b) 缺点： - 3 运放 INA 的 VCM 范围缩小 - 由于需要更多运放，增加了功耗和成本 - MCP6H04不是轨到轨运放，其VCM为VSS-0.3V 到 VDD-2.3V，因此 3 运放 INA 的 VDD 应至少比被测系统的电源电压高 2.3V。 DS01332B_CN 第 6 页  2013 Microchip Technology Inc.

双运放仪表放大器图 5 显示了双运放仪表放大器（2 运放 INA）。与 3 运放INA 相比，2 运放INA 节约了成本和功耗。2 运放INA 的输入阻抗也非常高，可避免阻性负载效应和不平衡输入阻抗问题。 2 运放 INA 的共模抑制比（CMRR2INA）主要由总增益以及 R2/R1 和 R2*/R1* 的净匹配容差决定。 AN1332 直流 CMRR2INA 如公式 5 所示。公式 5： CMRR2INA log 20 R2 1 ------+  R1  ----------------  K        在最坏情况下，K = 4TR 其中： K = R2/R1 与 R2*/R1* 的净匹配容差 TR = 电阻容差 CMRR2INA（dB） = 2 运放 INA 的共模抑制比电源 VREF R2 R1 R1* R2* ISEN V2 RSEN V1 ISEN 负载 V1 = VCM - VDM/2 1/2 MCP6H02 A1 VOUT1 V2 = VCM + VDM/2 1/2 MCP6H02 A2 VOUT VOUT =  V2 V1– R2    1 ------+  R1 + VREF 其中设置 R1 = R1*，R2 = R2* 图5：双运放仪表放大器  2013 Microchip Technology Inc. DS01332B_CN 第 7 页

AN1332 如图 5 所示，输入电压（V1 和 V2）可由共模输入电压（VCM）和差模输入电压（VDM）表示。即， V1 = VCM – VDM/2，V2 = VCM + VDM/2。 VOUT = (1 + R2/R1) × (V2 – V1) + VREF = (1 + R2/R1) × VDM + VREF VOUT1 = (1 + R1/R2) × V1 – (R1/R2) × VREF = (1 + R1/R2)×(VCM – VDM/2) – (R1/R2)×VREF VOUT = VDM × G + VREF 为了防止 VOUT 和 VOUT1 使电源轨饱和，必须将它们保持在允许的输出电压范围（VOL 到 VOH）内。 2 运放 INA 的 VDM 和 VCM 必须满足公式 6 中所示的要求。公式 6： VOH VREF ------------------------------ – G +   – G VOL VREF ----------------------------- VDM R1 ------ VREF VOL R2 ----------------------------------------- G R1 ------ VREF VOH R2 ------------------------------------------ G VCM VCM    + + VDM ----------- 2 + VDM ----------- 2 其中： G = 1 + R2/R1 ；总增益 VDM = V2 – V1 ； 2 运放 INA 的差模输入电压 VCM = (V1 + V2)/2； 2 运放 INA 的共模输入电压 VOH = 运放高电平输出 VOL = 运放低电平输出例 4 参考图 5 并假设 R1 = R1* = 5 k，R2 = R2* = 10 k， VREF = 0V，VDD = 15V，VSS = 0V，VOH = 14.47V， VOL = 0.03V，且 RSEN 两端的压降为 200 mV。因此，总增益 G 等于 3 V/V，留给 2 运放 INA 的 VCM 的电压范围为 0.12V 至 9.75V。该范围小于 MCP6H01 运放的VCM范围，后者在VDD = 15V时为-0.3V至12.7V。与 3 运放 INA 不同，当 2 运放 INA 在低增益配置下工作时，其 VCM 范围将大幅缩小。此外，2 运放 INA 的共模信号路径中的电路不对称会导致VOUT1和V1之间出现相位延时，从而降低交流CMRR 性能。参考图 5，输入信号 V1 必须先通过放大器 A1，然后经放大器 A2 与 V2 相减。因此，VOUT1 相对于 V2 会有轻微延时和相移。这是 2 运放 INA 的一个很大的缺点。参考图6，在两个反相输入之间添加电阻RG，这样仅调整 RG 便可轻松设置 2 运放 INA 的总增益，而无需调整多个电阻。此外，通常针对所需的最小增益选择 R2/R1 的比值。添加电阻 RG 的另一个优点是可以避免在极高增益配置中使用大电阻值的 R2 和 R2*。具有附加 RG 的 2 运放 INA 的 VDM 和 VCM 必须满足公式 7 中所示的要求：公式 7：  VOL VREF ----------------------------- VDM – – G G VOL VDM ------------------------------------------------------------------------ VOH VREF ------------------------------ R1 -------+ RG + +  + VDM VOH ------------------------------------------------------------------------  R1 -------+ RG  VDM ----------- 2 + VDM ----------- 2 1  R1 ------ VREF R2 R1 ------+ R2 R1 ------ VREF R2 R1 ------+ R2 1 VCM VCM 其中： G = 1 + R2/R1 + 2R2/RG ；总增益 VDM = V2 – V1 ； 2 运放 INA 的差模输入电压 VCM = (V1 + V2)/2 ； 2 运放 INA 的共模输入电压 VOH = 运放高电平输出 VOL = 运放低电平输出 DS01332B_CN 第 8 页  2013 Microchip Technology Inc.

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