低側電流測量的兩種測量方法的利弊分析

兩種測量方法各有利弊。低側電流測量的優點之一是共模電壓，即測量輸入端的平均電壓接近于零。這樣更便于設計應用電路，也便于選擇適合這種測量的器件。由于電流感測電路測得的電壓接近于地，因此在處理非常高的電壓時、或者在電源電壓可能 易于出現尖峰或浪涌的應用中， 優先選擇這種方法測量電流。由于低側電流感測能夠抗高壓尖峰干擾，并能監測高壓系統中的電流，因此廣泛應用于很多汽車、工業和電信 應用中。低側電流感測的主要缺點是采用電源接地端和負載/系統接地端時，感測電阻兩端的壓降會有所不同。如果其他電路以電源接地端為基準，可能會出現問題。為最大限度地避免此問題，存在交互的所有電路均應以同一接地端為基準。降低電流感測電阻值有助于盡量減小接地漂移。

圖 1. 電流感測方法

設計電路或選擇用于電流測量的器件時，低側電流感測是最簡單的方法。由于輸入端的共模電壓低，因此可使用差分放大器拓撲。圖 2 給出了采用運算放大器(運放)的經典差分放大器拓撲。

圖 2. 用于低側感測的運算放大器配置

使用運放進行電流感測時，要確保運算正確，需要滿足多項性能要求。首先，通過信號電源工作時，運算放大器需要支持對地的共模輸入電壓。由于差分放大器通常會提高差分輸入信號的增益，因此務必擺動到運放的軌規范范圍內，以確保信號正常傳遞到輸出端。由于上述原因，通常會優先使用軌到軌輸入和輸出運算放大器進行電流感測。由于在差分放大器配置中并未指定運算放大器，因此難以判斷在實際應用中會達到何種性能。如果在運放周圍增加電阻，建立電流感測電路，則轉換率、帶寬、輸入電流、共模抑制以及漂移等參數性能都會下降。參數性能下降程度將取決于放大器的閉環增益以及增益設置電阻的值。采用分立解決方案時，需要考慮圖 2 中 R1 和 R2 的匹配和容差，因為這些元件的變化將直接影響電路的增益誤差。

采用分立電流感測放大器時要考慮的另一因素是 PCB布局。需要將 R1 和 R2 放在盡可能靠近運算放大器和電流感測電阻的位置。將這些元件放在靠近運放的位置后，運算放大器同相輸入端出現噪聲拾取的可能性會降低。由于很多電流感測放大器都與 DC/DC 轉換器配合使用，因此需要仔細考慮整個電流感測電路的放置位置，以免 DC/DC 電源發出輻射噪聲。差分放大器增益可通過圖 2 所示的等式進行計算。但增益增大或減小都會影響解決方案的穩定性和帶寬。如果應用中存在容性負載，需要特別考慮運放的 穩定性，以免 出現振蕩或嚴重的輸出振鈴現象。

若要克服分立實現方案的缺陷，一種有效方式是采用圖3 中所示的電流感測放大器。

圖 3. 采用 INA199 電流感測放大器進行低側電流感測

電流感測放大器集成了增益設置電阻，從而可減少分立實現方案存在的諸多布局問題。內部電阻設計用于減少不匹配情況，從而可優化增益誤差規范。電流感測放大器經過預先配置，可滿足多種不同的增益要求。例如，INA199 的增益可為50、100和200V/V。帶寬和容性負載穩定性使用數據表中指定的最大容性負載針對各個增益設置進行了優化。集成增益設置電阻可降低噪聲靈敏度、減小 PCB 占用面積，并可簡化布局。集成這些電阻并不一定意味著會增大封裝尺寸。INA199 可采用 2 mm x 1.25 mm SC70 6 引線封裝和 1.8 mm x1.4 mm 超薄四方扁平無引線 (UQFN) 封裝。

INA199 的電流測量精度要高于成本效益高的分立運放設計可達到的精度。該器件 在 -40°C 至 105°C 溫度范圍內的最大增益誤差為 1.5%。INA199 的偏移小于 150μV，漂移低于 0.5 μV/°C。

INA199 還 具有 REF 引腳。施加到 REF 引腳上的電壓會增大輸出端電壓。如果下游器件需要轉換電流信號電平，可使用該引腳。

備選器件建議

對于對性能要求較高的 應用， INA210-215 系列器件具有較低的偏移(最大 35μV)和增益誤差(最大 1%)。如果需要使用數字接口實現高精度電流監測，INA226具有 最大 10 μV 的偏移以及 0.1% 的增益誤差。如果需要小型數字電流監測，可選擇采用小型 1.68 mm x 1.43mm 封裝的 INA231，它非常適合便攜式應用或空間受限的其他 應用。如果需要通過引腳可綁定的增益設置進行電壓輸出電流監測，可采用 INA225。

表 1. 備選器件建議

表 2. 相關技術報告

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圖 1. 電流感測方法