使用集成的雙向電流檢測放大器高效實現電流監控

越來越多的應用需要快速準確的電流監控，包括自動駕駛汽車、工廠自動化和機器人、通信、服務器電源管理、D 類音頻放大器和醫療系統。在許多此類應用中，需要雙向電流檢測，但需要以最低的成本高效完成。

雖然可以使用一對單向CSA構建雙向電流檢測放大器（CSA），但這可能是一個復雜且耗時的過程。它涉及一個單獨的軌到軌運算放大器，將兩個輸出組合成一個單端輸出，或者在微控制器上使用兩個模數轉換器（ADC）輸入，這需要額外的微控制器編碼和機器周期。最后，使用兩個單向CSA構建雙向CSA（加上將它們集成到雙向解決方案中所需的其他組件）可能會消耗更多的電路板空間，而更多的零件數量會降低可靠性并增加庫存需求。最終結果可能是成本和設計進度超支。

相反，設計人員可以轉向集成、高速、精確的雙向 CSA。他們可以選擇具有內部低電感分流電阻器的集成雙向 CSA，以產生最緊湊的解決方案，也可以選擇使用外部分流器的 CSA，以提供更靈活的設計和布局選項。

本文回顧了雙向 CSA 的實施要求以及更集成的方法的好處。然后介紹[意法半導體]、[德州儀器]和[ADI]公司的示例器件，包括關鍵參數和差異特性。最后，本文介紹了如何開始使用這些器件進行設計，包括相關的參考設計/評估套件/開發套件，以及有關設計和實現的技巧。

如何使用兩個單向 CSA

雙向 CSA 電路可以使用兩個單向 CSA 以多種方式構建（圖 1）。ADI公司MAX4172ESA+T（如左例所示）不包括內部負載電阻，因此使用分立器件R一個和 R b .在右邊的例子中，MAX4173TEUT+T具有一個內部12 kΩ負載電阻，用于將其電流輸出轉換為電壓。

圖 1：使用兩個單向電流檢測放大器的雙向電流檢測應用可以使用外部負載電阻（左）或內部負載電阻（右）來實現。（圖片來源：ADI公司）

雖然不需要兩個負載電阻，但MAX4173TEUT+T電路在其反饋中增加了一個1納法拉（nF）電容，以穩定B部分的控制環路。在這兩種情況下，兩個CSA的輸出電流均采用[MAX4230AXK+T]通用運算放大器組合。

這兩種方法的零件數量都高于使用單個雙向 CSA 所需的零件數量。除了更多的零件數量外，印刷電路板布局也更加復雜，因為兩個單向CSA都需要放置在靠近V的位置意義電阻器。

使用雙向 CSA 的應用示例

雙向 CSA 是多功能設備，可用于各種應用。例如，可以在三相伺服電機系統中使用兩個CSA來確定所有三相的瞬時繞組電流，而無需進一步計算或提供有關脈寬調制（PWM）脈沖相位或占空比的信息（圖2）。

圖 2：在三相伺服電機應用中，可以在第 1 相檢測電阻上連接兩個雙向 CSA（R 感φ1 ） 和階段 2 （R 感φ2 ） 以產生表示第三相繞組中電流的電壓。（圖片來源：ADI公司）

基爾霍夫定律指出，前兩個繞組中的電流之和等于第三個繞組中的電流。電路使用兩個[MAX40056TAUA+]雙向CSA測量[MAX44290ANT+T]通用運算放大器中的兩相電流。由于所有三個放大器具有相同的基準電壓，因此會產生比率測量。

在另一個示例中，D 類音頻放大器（單個雙向 CSA，例如德州儀器的 [INA253A1IPW]可用于精確測量揚聲器負載電流（圖 3）。

Figure 3: In Class-D audio designs, a bidirectional CSA (INA253) can be used to implement speaker enhancements and diagnostics. (Image source: Texas Instruments)

Real-time measurements of speaker load current can be used for diagnostics and to optimize amplifier performance by quantifying key speaker parameters and changes in those parameters including:

• Coil resistance* Impedance of the speaker* Resonant frequency and peak impedance at the resonant frequency* Real-time ambient temperature of the speaker

Board layout tips and current shunt considerations

在實現電流檢測電路時，寄生電阻和電感是一個問題。此外，過高的焊料和寄生走線電阻會導致檢測誤差。通常使用四端子電流檢測電阻。如果不能選擇四端子電阻，則應遵循開爾文印刷電路板布局技術（圖 4）。

圖 4：開爾文檢測走線應盡可能靠近電流檢測電阻上的焊接觸焊盤。（圖片來源：ADI公司）

將開爾文檢測走線盡可能靠近電流檢測電阻的焊接接觸點，可最大程度地降低寄生電阻。開爾文檢測走線的間距越寬，就會引入由額外的走線電阻引起的測量誤差。

檢測電阻的選擇是最小化寄生電感的一個重要方面。封裝電感應最小化，因為電壓誤差與負載電流成正比。通常，繞線電阻器具有最高的電感，標準金屬膜器件具有中等電感。對于電流檢測應用，通常建議使用低電感金屬膜電阻器。

分流電阻的值是動態范圍和功耗之間的權衡。對于高電流檢測，建議使用低值分流器以最小化散熱（I2R）。在低電流檢測中，可以使用較高的電阻值來最小化失調電壓對檢測電路的影響。

大多數CSA依靠外部分流器來測量電流，但也有一些CSA使用內部分流器。雖然使用內部分流器可以產生更緊湊的設計，組件更少，但涉及一些權衡，包括：靈活性較低，因為分流器的值是預先確定的，與外部分流CSA相比，需要更高的靜態電流，并且可以測量的電流量受到內分流器能力的限制。

高壓精密雙向CSA

意法半導體的[TSC2011IST]利用其精密特性，使用低電阻外部分流器，使設計人員能夠最大限度地降低功耗（圖5）。這種雙向 CSA 設計用于在數據采集、電機控制、電磁閥控制、儀器儀表、測試和測量以及過程控制等應用中提供精確的電流測量。

圖 5：TSC2011IST 包括一個關斷引腳 （SHDN），可最大限度地節省能源，工作溫度范圍為 ?40 至 125°C。 （圖片來源：意法半導體）

TSC2011IST 具有 60 伏/伏 （V/V） 的放大器增益、集成電磁干擾 （EMI） 濾波器和 2 千伏 （kV） 人體模型 （HBM） 靜電放電 （ESD） 容差（根據 JEDEC 標準 JESD22-A114F）。TSC2011 可以檢測低至 10 毫伏 （mV） 滿量程的壓降，以提供一致的測量結果。其 750 kHz 的增益帶寬積和 7.0 伏/微秒 （V/μs） 的壓擺率相結合，可確保高精度和快速響應。

設計人員可以使用 [STEVAL-AETKT1V2]評估板快速開始使用 TSC2011IST（圖 6）。它可以檢測 -20 至 +70 V 寬共模電壓范圍內的電流。TSC2011IST 具有以下特點：

• 增益誤差：0.3%（最大值）* 失調漂移：5 μV/°C 最大值* 增益漂移：百萬分之十 （ppm）/°C 最大值* 靜態電流：關斷模式下為 20 微安 （μA）

圖 6：STEVAL-AETKT1V2 評估板包括主板和包含 TSC2011IST 的子卡。（圖片來源：意法半導體）

內部分流雙向 CSA

德州儀器 （TI） 的 [INA253A1IPW] 集成了一個 2 mΩ、0.1% 低電感分流器，支持高達 80 V 的共模電壓（圖 7）。INA253A1IPW 為設計人員提供了增強型 PWM 抑制電路，以抑制較大的 dv/dt 信號，從而為電機驅動和電磁閥控制等應用實現實時連續電流測量。該內部放大器采用精密零漂移拓撲結構，共模抑制比 （CMRR） 為 >120 分貝 （dB） DC CMRR，在 90 kHz 時為 50 dB 交流 CMRR。

Figure 7: The INA253A1IPW bidirectional CSA, shown here in a typical application, has an internal current shunt and can measure ±15 A of continuous current from –40 to +85°C. (Image source: Texas Instruments)

Designers can accelerate the development of system designs based on the INA253A1IPW by using the test points on the associated INA253EVM evaluation board to access the CSA’s functional pins (Figure 8). The two-layer board measures 2.4 × 4.2 inches and is fabricated with 1 ounce (oz) copper.

Figure 8: The two-layer INA253EVM measures 2.4 × 4.2 inches and is fabricated with 1 oz copper. The bottom layer has no components but contains a solid copper ground plane that provides a low-impedance path for return currents. (Image source: Texas Instruments)

Minimal support circuitry is included on the pc board, and functions can be reconfigured, removed, or bypassed as needed. The INA253EVM provides the following features:

• Three INA253A1IPW devices* Easy access to all pins* Board layout and construction that supports ±15 A of current through the INA253 CSAs across the full –40 to +85°C temperature range* Place holders on the pc board for configurations other than the default configuration

The bottom layer has no components but contains a solid copper ground plane that provides a low-impedance path for return currents.

AEC-Q100 qualified bidirectional CSA

為了監視全橋電機控制、開關電源、螺線管和電池組以及汽車應用中的電流，設計人員可以使用ADI公司的[LT1999IMS8-20#TRPBF]（圖9）。

圖 9：LT?1999IMS8-20#TRPBF 是一款全橋電樞電流監視應用中的雙向 CSA。（圖片來源：ADI公司）

LT?1999IMS8-20#TRPBF 專為汽車應用提供 AEC-Q100 認證，并包括一種停機模式以最大限度地降低功耗。該器件使用外部分流器來測量流向和流向。它產生一個比例輸出電壓，該輸出電壓以電源電壓和地之間的中間為基準。設計人員可以選擇施加外部電壓來設置參考電平。

LT1999IMS8-20#TRPBF 進入低功耗關斷狀態，當 V SHDN （引腳 8） 被驅動到距地 0.5 伏以內。如果在 1 至 0 伏范圍內偏置（未施加差分電壓），輸入引腳 （+IN 和 –IN） 將消耗大約 80 納安 （nA） 的電流。EMI 敏感性降低一個內部 1^圣^階式差分低通EMI靜噪濾波器，有助于抑制超出器件帶寬的高頻信號。

為了試驗LT1999系列，ADI公司提供了[1698A]演示板。該板放大板載電流檢測電阻兩端的壓降，并產生與流過電阻器的電流成比例的雙向輸出電壓。設計人員可以從三個固定增益選項中進行選擇;10 V/V （DC1698A-A）、20 V/V （DC1698A-B） 和 50 V/V （DC1698A-C）。

具有PWM抑制功能的雙向CSA

為了在控制螺線管和電機等感性負載的設計中更好地抑制共模輸入PWM邊沿，設計人員可以使用MAX40056TAUA+（圖10）。前面在圖2中提到的MAX40056TAUA+為雙向CSA，可以處理±500 V/μs或更高的壓擺率。它的典型 CMRR 為 60 dB（50 伏，±500 伏/μs 輸入）和 140 dB 直流。其共模范圍為 -0.1 V 至 +65 V，包括低至 -5 V 的感應反沖電壓保護。

Maxim MAX40056TAUA+示意圖包括一個內部1.5V基準

圖 10：MAX40056TAUA+ 包括一個內部 1.5 V 基準、增強型 PWM 抑制和集成的內部窗口比較器，用于檢測正負過流情況（左下角，由 CIP 輸入驅動）。（圖片來源：ADI公司）

MAX40056TAUA+具有內部1.5V基準，可用于多種用途，包括：

• 驅動差分模擬數字轉換器* 偏移輸出以顯示檢測電流的方向* 將電流源入外部負載以減輕性能降低

當需要更高的滿量程輸出擺幅或電源電壓高于 3.3 V 時，設計人員可以使用更高的外部基準電壓源覆蓋內部基準電壓源。最后，設計人員可以使用內部或外部基準設置集成過流比較器的跳閘閾值，從而提供過流故障的即時信號。

[MAX40056TAUA+的MAX40056EVKIT#] 集成/MAX40056EVKIT/9838624）評估板為設計人員開發高精度、高壓雙向CSA應用（如電磁閥驅動器和伺服電機控制）提供了經過驗證的平臺。

結論

從汽車、工廠自動化和機器人到服務器電源管理、D 類音頻放大器和醫療系統，各種應用都需要快速準確的電流監控。在許多情況下，需要雙向電流檢測。

幸運的是，設計人員可以從各種集成的雙向CSA及其相關的開發平臺中進行選擇，以快速有效地實現快速準確的雙向電流監控。