多功能高壓側電流檢測放大器LT6107的原理、特點及應用分析

引言

LT6107是凌力爾特公司（Linear Technology Corporation）推出的一款簡單小巧、多功能高壓側電流檢測放大器，是一種簡單易用的通用器件，具有高輸入電壓范圍、高精度、寬工作溫度范圍、低失調電壓、低電源電流等特性，是MP級器件，能夠應用到自動裝置、工業設施及電源管理等產品中，可滿足汽車、軍事和工業以及其他嚴酷環境中的應用需求。

LT6107的最大輸入偏置電流僅為40nA，失調電壓僅有250μV，其增益可由兩只外部電阻調節設置，精度高于1％，輸入電壓范圍為2．7V～44V，能適應-55℃～+150℃的工作環境，工作電流僅為65μA。

LT6107具有很低的檢測電壓。當VSENSE=0V時，輸出電壓永遠為正，流過輸出器件的靜態輸入失調電壓和較小的總量電流僅為0．7μA～1．2μA。

1 引腳功能

圖1所示為LT6107的外形圖，其引腳功能如下：

OUT：電流輸出端，該電流與外部檢測電阻上的電壓成正比。

V-：通常接GND。

-IN：內部檢測放大器使-IN端上的電平與+IN端的相同，在V+和-IN端之間接電阻RIN可以設置輸出電流IOUT，IOUT=VSENSE／RIN，其中的VSENSE為RSENSE上的檢測電壓。

+IN：通過一個電阻與系統負載端相連。

V+：IC的正電壓供電端，直接與檢測電阻相連，供電電流通過此端驅動IC工作，若僅監視系統負載電流，可將V+接到檢測電阻的正端；若監視包含LT6107在內的所有工作電流，需將V+接到檢測電阻的負端。

2 基本原理

LT6107是通過檢測外部檢測電阻上的電壓來實現對電流的監視。內部電路首先將外部檢測電阻上的電壓轉變成輸出電流，再在一個高共模電壓上給出一個小的檢測信號，并由它作為一個基準地。其低DC失調可以監視很小的檢測電壓，僅需在電路中連接一個很小的電阻，就可將功耗降至最低。其內部方框電路如圖2。

內部電流放大器環將-IN與+IN強拉到相同的電位，在-IN和V+之間接一支外部電阻RIN，這樣當RIN的電位與RSENSE上的電位相同時，相應的電流VSENSE／RIN將流過RIN。檢測放大器的高輸入阻抗不會導通此電流，而通過內部的PNP管流向IOUT端。輸出電流傳輸經由OUT端到達V-的電阻后，轉變為電壓信號到IC內，其電壓為： VO=V-+IOUTXROUT，其增益值如表1所列。

3 基本應用

LT6107通過對可調節檢測電流的設置來監視電流，其檢測電壓是經可調增益放大得來的，而且是從正電源電壓到基準地的線性變化的。加入一個輸出濾波器，其輸出信號也可以作為模擬信號使用。圖3所示為LT6107的一個基本應用電路圖。

4 硬件設計

4．1 外部電流檢測電阻的選擇

外部檢測電阻RSENSE對電流檢測系統的功能有很大影響，因此必須小心謹慎地選擇。首先，要考慮電阻的功耗。系統負載電流會引起發熱及RSENSE上的電壓損耗，因此檢測電阻要盡可能地小，只需測出設備所需的動態范圍即可。輸入動態范圍受LT6107初級側DC輸入失調電壓的限制，在最大輸入信號和最小所測信號時的動態范圍是不同的。而且RSENSE必須足夠小到其VSENSE不能超過LT6107的最大輸入電壓。比如，最大檢測電壓為100mV，如果外部峰值負載電流為2A，則RSENSE不能超過50mΩ。

一旦最大RSENSE值確定下來，最小RSENSE值可由其精度或所需動態范圍來決定，其最小信號也受輸入失調電壓的限制。例如LT6107失調電壓為150μV，若最小電流為20mA，則檢測電阻為7．5mΩ，其VSENSE就為150μv，即輸入失調。大的檢測電阻會減小由于失調造成的誤差。當RSENSE為50mΩ時，其動態范圍最大，在峰值負載（2A）時具有100mV的檢測電壓及3mA的輸入失調負載電流誤差，其功耗為200mW；當檢測電阻為5mΩ時，其有效誤差為30mA，此時的峰值檢測電壓（2A負載）為10mV，功耗僅20mW。

當LT6107的失調電壓為典型值：150μV時，可以為最大150 mV的檢測電壓提供60dB的動態范圍，為最大0．5V的檢測電壓提供超過70dB的動態范圍。這使得具有的低失調和相對較大的動態范圍特性的LT6107能夠適應更寬泛的應用場合。

為降低功耗，-IN到+IN之間的檢測電阻需采用凱爾文連接方法。在流過大電流時，焊錫連接和PC板的互連會引起較大的測量誤差。10mmx 10mm平方的軌跡就有大約0.5mΩ的誤差，而1mV的誤差相當于2A電流流過此處。因此，需將檢測線與高電流的路徑隔離開來，以便減小誤差，采用集成有檢測電阻的凱爾文連接也是行之有效的方法，圖4是推薦的一種連接方法。

4．2 外部輸入電阻RIN的選擇

當系統所需的輸出電流為1mA時，必須選擇合適的RIN。RIN的最大值為500Ω。RIN取決于IOUT=1mA時所對應的最大檢測電壓，可由此得出最大輸出動態范圍。輸出動態范圍取決于最大允許輸出電流和最大允許輸出電壓，可以將其作為最小實際的輸出信號，如果該值低于所需的動態范圍，可通過增加RIN來減小最大輸出電流和功耗。若系統有非常寬的動態范圍，而又需要小的檢測電流，此時小RIN可帶來較大的電流，電路也需用另外一種連接方法，見圖5。用一支肖特基二極管與RSENSE并聯，會降低大電流設備的精度，從而增加小電流的精度。

值得注意的是，在設計RIN時，特別是有較小的RIN值，PCB上所有串聯的電阻都會增加RIN的值，從而引起更大的誤差。

4．3 外部輸出電阻ROUT的選擇

在選擇輸出電阻時，必須首先考慮最大輸出電壓，如果隨后的電路中有輸入限制，比如：緩沖器或ADC，則ROUT必須滿足IOUT（MAX）·ROUT低于電路的最大輸入范圍。

此外，輸出阻抗由ROUT決定，若所驅動的電路有足夠的輸入阻抗，那么輸出阻抗不受限制。而若所驅動的電路的輸入阻抗較低，或ADC有電流尖刺，則需低ROUT，以確保其輸出精度。比如，輸入阻抗是ROUT的100倍，則VOUT的精度將減小1％，如下：

4．4 誤差的考慮

1）誤差源

電流檢測系統使用一個放大器和幾個電阻來調節增益及電平位移。輸出取決于放大器的特性，增益和輸入失調由電阻調節，電路輸出為：

這種情況下的誤差僅來自電阻的失配，且僅在增益上有誤差。當然，失調電壓及偏置電流也會引起其它誤差。

2）輸出誤差

由放大器DC失調電壓VOS導致的輸出誤差為：

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