【導(dǎo)讀】在很多功率電子系統(tǒng)中，需要對于電源正極輸出電流進(jìn)行檢測（也稱高端電流檢測：High-Side Current Sensing），比如電機控制、線圈驅(qū)動、電源管理（像 DC-DC轉(zhuǎn)換，電池檢測等）。在這些應(yīng)用中，在電源的正極（高端）而非負(fù)極（也就是電流返回端）對電流檢測，可以提高電流檢測性能。
從01 高端電流檢測
在很多功率電子系統(tǒng)中，需要對于電源正極輸出電流進(jìn)行檢測（也稱高端電流檢測：High-Side Current Sensing），比如電機控制、線圈驅(qū)動、電源管理（像 DC-DC轉(zhuǎn)換，電池檢測等）。在這些應(yīng)用中，在電源的正極（高端）而非負(fù)極（也就是電流返回端）對電流檢測，可以提高電流檢測性能。例如可以確定對地短路電流、檢測續(xù)流二極管中的電流。如果在電源負(fù)端使用分流器來獲取電源電流可能會造成地線電位的不一致。下面圖1， 圖2 顯示了使用高端檢測電機和電磁線圈電流的電路配置。
▲ 圖1 電磁線圈驅(qū)動電路中的高端電流檢測
▲ 圖2 H-橋電機驅(qū)動電路高端電流檢測電路
▲ 圖3 三相電機驅(qū)動高端電流檢測
在上面三個電流檢測應(yīng)用中，如果使用PWM驅(qū)動，那么在電流檢測電阻上的共模電壓的擺動范圍是從0V到電池電壓。這種PWM輸入信號是一個周期性，高頻，快速上升下降的特性，是由電路中功率場效應(yīng)管所產(chǎn)生的。因此，用于對高端電流分流器進(jìn)行信號處理的運算放大器需要能夠同時具有極強的共模抑制能力、增益高、精確度高、（電壓、電流）偏置低的特點。
圖1所示的電磁線圈驅(qū)動電路中，MOS場效應(yīng)管驅(qū)動線圈的電流總是從上往下流動，因此單向電流檢測即可滿足要求。但在圖2，圖3所示的電機驅(qū)動電路中，電流是雙向的，因此需要電路能夠處理正負(fù)電流信號。
設(shè)計者會發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在有很多半導(dǎo)體公司提供了不同用于放大高端電流檢測的芯片。其中一個重要值得注意的現(xiàn)象，那就是在所有可備選的電流檢測IC芯片里，可以分成兩大類別：一類為電流檢測放大芯片，另外一類是 差分放大芯片 。
這里，我們將會指出和解釋上述兩類信號處理芯片的主要差別，幫助電子工程師面對應(yīng)用需求時選擇最適合的高端電流檢測方案。下面以雙向差分高電壓運算放大器 AD8206[3] 與雙向電流檢測放大器 AD8210[4] 為例進(jìn)行對比。這兩款運放具有相同的外部管腳，都可以用于高端電流檢測，但他們的性能和內(nèi)部結(jié)構(gòu)卻不相同。那么問題來了，在實際應(yīng)用中究竟選擇哪一種方案呢？ 。
§02 工作基本原理
圖4給出了AD8206集成高電壓差分放大器，可以最高承受65V的功波電壓。芯片輸入端使用了 16.7:1 的反壓電阻將共模電壓限制在運放A1的輸入電壓范圍內(nèi)。可惜，輸入分壓電阻也將差分信號做了等比例的衰減，因此通過A1、A2兩級提供的 344V/V 的電壓增益，可以獲得 20V/V 整體電壓放大倍數(shù)。
▲ 圖4 AD8206簡化原理圖
為了實現(xiàn)雙向電流檢測，可以通過一個低阻參考電壓源為AD8206中輸出放大器A2的正輸入端設(shè)置一個正的參考電壓。該芯片甚至可以在共模電壓為負(fù)的時候繼續(xù)提供對電流分流電阻上的電壓信號的放大。
下圖（圖5）給出了最近剛推出的高電壓電流傳感器放大電路AD8210，它的功能與AD8206 相類似，管腳定義都一樣，但它的工作原理卻不同，也帶來了不同的技術(shù)指標(biāo)。
▲ 圖5 AD8210內(nèi)部功能圖
最大的區(qū)別在于AD8210的輸入并不使用衰減電阻網(wǎng)絡(luò)來減少高的功波電壓，它的輸入端使用 XFCB IC的制作工藝所產(chǎn)生的高壓三極管，對應(yīng)的VCE可以高達(dá)65V，從而可以承受高達(dá)65V的公模輸入電壓。
AD8210對于小的電流差分信號進(jìn)行放大的方式參加圖5。芯片上第一放大器A1的正負(fù)兩端分別通過R1、R2連接到電流采樣電阻兩端，A1通過控制三極管Q1，Q2導(dǎo)通電流來抵消在正負(fù)輸入端的電壓。Q1，Q2的導(dǎo)通電流在內(nèi)部精確匹配的電阻上產(chǎn)生成比例的電壓（已經(jīng)沒有了共模電壓了），經(jīng)過放大器A2放大輸出。A2由+5V供電，輸出的電壓與輸入差分電壓的比例為 20:1 。
AD8210電流放大器的電路結(jié)構(gòu)中輸入結(jié)構(gòu)要求輸入信號功波電壓需要大于 2V 或者 3V ，不能小于0。在AD8210內(nèi)部通過內(nèi)置的上拉電阻提升A1輸入電壓，這樣就可以使得輸入共模電壓可以低至 -2V 。
§03 兩種芯片的差異
很顯然，電流傳感放大器（AD8210）與差分放大器（AD8206）在工作機制上有明顯的差異。前者是將輸入差分信號轉(zhuǎn)換成對地的不同電流，再由芯片內(nèi)部的電阻轉(zhuǎn)換成沒有共模電壓的差分信號經(jīng)由后級運發(fā)放大輸出，芯片主要依靠高壓半導(dǎo)體工藝來抵抗共模高壓的。而后者則是通過輸入衰減電阻網(wǎng)絡(luò)將信號進(jìn)行統(tǒng)一衰減后，再利用差分放大對輸入信號中的差分信號進(jìn)行放大，芯片則依靠電阻網(wǎng)絡(luò)來衰減共模高壓的。
雖然在兩個芯片的數(shù)據(jù)手冊中已經(jīng)將它們的主要性能指標(biāo)進(jìn)行了說明，但一些基于內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異所帶來的不一樣則不能從芯片數(shù)據(jù)手冊中立即看清楚。下面列出一些關(guān)鍵點，幫助設(shè)計最佳的解決方案。
1、放大器帶寬
由于對輸入信號的衰減，所以通過差分放大方案通常只有電流傳感放大器的頻率響應(yīng)帶寬的 五分之一 左右。盡管如此，這兩款芯片的帶寬還是能夠滿足大部分應(yīng)用需求。
比如對于電磁鐵驅(qū)動中，通常需要大于20kHz的PWM驅(qū)動，考慮到噪聲對于電流信號放大帶寬也要求大于20kHz。對于電磁鐵控制往往著重考慮平均電流的穩(wěn)定性，所以對于信號帶寬要求不高。但在電機控制中的電流采樣中，特別是對PWM信號控制下的電流順時電流采集，則要求更高的電流放大帶寬，此時就需要考慮使用電流傳感放大器（AD8210）替代AD8206了，它可以輸出電流信號更準(zhǔn)確的電流波形。
▲ 電流波形與AD8206輸出的電壓波形
2、共模抑制比
對于共模電壓的抑制性能方面，電流放大器可以提供更高的共模電壓抑制（CMR：Common-Mode Rejection）性能。比如AD8210，通過內(nèi)部精確匹配的高壓三極管，可以提供高達(dá) 100-dB 的CMR。依賴于衰減電阻網(wǎng)絡(luò)的AD8206，由于只能做到0.01%的精度，因此它的的CMR為 80-dB 左右。
3.外部濾波網(wǎng)絡(luò)影響
為了抑制電流噪聲，在放大電路輸入端增加RC低通濾波器。比如下圖中，就使用了Rf,Cf組成了電流信號的低通濾波器。
▲ 圖6 輸入濾波網(wǎng)絡(luò)
對于差模放大器，它的輸入電阻阻抗大于100kΩ。比如AD8206它的輸入電阻為200kΩ，如果外部電流濾波電阻Rf為200歐姆，所產(chǎn)生的增益誤差大約為 0.1%。如果兩個低通濾波器電阻Rf之間的匹配誤差也在1%左右，那么所產(chǎn)生的CMR影響大約 94-dB ，不會對器件本身所具有的 80-dB 造成很大的 影響。
但是對于電流傳感方式的放大器，它具有很高的公模輸入電阻。但為了將輸入差分電壓轉(zhuǎn)換成差分電流，則放大器的輸入電阻Rin則只有5kΩ左右。比如AD8210它的Rin為3.5k歐姆。由此外部低通濾波器所帶來的增益誤差則高達(dá) 5.4% ！同時，CMR也降低到 59-dB 。
所以在采用電流放大器時，對于外部低通濾波網(wǎng)絡(luò)參數(shù)需要特別考慮，比如濾波電阻最好小于10歐姆。
4、輸入過載
在偶然情況下，如果負(fù)載出現(xiàn)了過壓、過流，這樣就會在電流傳感放大器AD8210兩端造成極大的差分電壓，從而可以引起芯片的損壞。對于采用差分放大的AD8206來說，對于負(fù)載面臨的過流、過壓則會有更寬的承受范圍，并不容易引起芯片的崩潰。
5、反向電壓保護(hù)
在有些情況下，可能出現(xiàn)設(shè)備電源電壓接反，這樣就會在電流放大器兩端產(chǎn)生復(fù)制非常高的負(fù)共模電壓。具有分壓電阻網(wǎng)絡(luò)輸入的差分放大器（AD8206）對于這種偶然出現(xiàn)的負(fù)共模電壓有很強的的忍受能力，但對于AD8210則情況大為不妙了。由于它的輸入Rin阻值相對較小，大的負(fù)共模電壓就會使得芯片中的ESD二極管導(dǎo)通，從而引起內(nèi)部電路損壞。
6、輸入偏置電流
在一些低功耗應(yīng)用電路中，需要考慮芯片的靜態(tài)工作電流。對于AD8206它的輸入電阻網(wǎng)絡(luò)即使在芯片不供電的情況下，電阻網(wǎng)絡(luò)依然消耗高端電源電流。對應(yīng)的AD8210，則會在電路掉電之后，也將內(nèi)部的晶體管電路關(guān)閉，所以幾乎不再消耗任何電源電流了。因此，在電池供電的低功耗應(yīng)用中，AD8210可能會更合適一些。
§04 電流檢測方案總結(jié)
在電動車、通訊、消費類產(chǎn)品以及工業(yè)應(yīng)用中，高端電流檢測被廣泛應(yīng)用。基于差分電壓放大的檢測與基于電流檢測放大兩個檢測方案可以在設(shè)計中被采用。雖然這些IC在功能和管腳定義上相同，但面臨采集精度、系統(tǒng)可靠性方面要求高的時候，則需要根據(jù)兩者方案內(nèi)部機理不同考慮選擇合適的電流檢測方案。下面表格中給出了這兩種方案的對比。
【表格1 對比電流放大與差分放大方案】
參考資料
[1]High-Side Current Sensing: Difference Amplifier vs. Current-Sense Amplifier:
https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/high-side-current-sensing.html
[2]本文原文的PDF下載:https://www.analog.com/media/en/analog-dialogue/volume-42/number-1/articles/high-side-current-sensing.pdf
[3]AD8206:https://www.analog.com/en/products/ad8206.html
[4]AD8210:https://www.analog.com/en/products/ad8210.html
（來源：面包板社區(qū)，作者:TsinghuaJoking）
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