低邊與高邊電流檢測(cè)

1、低邊與高邊電流檢測(cè)目前，系統(tǒng)的芯片通過有效的功率分配優(yōu)化系統(tǒng)效率。這種管理方式的關(guān)鍵是檢測(cè)，它不僅能協(xié)助系統(tǒng)維持所需要的功率電平，還可通過伺服調(diào)節(jié)來維護(hù)電子系統(tǒng)的正常運(yùn)行，防止失效和電池過放電。電流檢測(cè)有兩個(gè)基本辦法，可以測(cè)量載流導(dǎo)體的磁場(chǎng)，也可以在電流回路插入一個(gè)小并測(cè)量其兩端壓降。第一種辦法沒有強(qiáng)行插入元件或引入插入損耗，但價(jià)格相對(duì)昂貴，而且簡單導(dǎo)致非線性和溫度系數(shù)誤差。因此，磁場(chǎng)檢測(cè)雖然避開了插入損耗，但因?yàn)槠涓叱杀?，在詳?xì)應(yīng)用中受到很大限制。本文主要研究電阻檢測(cè)技術(shù)在工業(yè)的可行性。電阻測(cè)量在電流回路插入一個(gè)小阻值的檢測(cè)電阻可以產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的壓降，經(jīng)過放大后形成與電流成比例的輸出信號(hào)。按

2、照應(yīng)用環(huán)境和檢測(cè)電阻的放置位置不同，該檢測(cè)技術(shù)為檢測(cè)設(shè)計(jì)帶來了各種挑戰(zhàn)。圖1(a)高邊電流檢測(cè)圖1(b) 低邊電流檢測(cè)簡化框圖假如檢測(cè)電阻放置在負(fù)載和電路地之間，其所產(chǎn)生的壓降可以通過容易的運(yùn)放舉行放大（見圖1(b)），這種辦法稱為低邊電流檢測(cè)。它不同于電源、負(fù)載之間放置檢測(cè)電阻的高邊檢流（見圖1(a)）。檢流電阻的阻值越小功耗越低，但要保證產(chǎn)生檢測(cè)放大器可以檢測(cè)的，提供足夠高的精度。注重，檢流電阻兩端的差分信號(hào)疊加在一個(gè)共模電壓上，對(duì)于低邊檢測(cè)來說臨近于地電位（0v），而對(duì)高邊檢測(cè)則臨近于電源電壓。因此，對(duì)于低邊檢流，測(cè)量放大器的共模輸入范圍必需包括地電位；對(duì)于高邊檢流，放大器的共模范圍必需

3、包括電源電壓。圖2 充電器采納了低邊電流檢測(cè)由于低邊檢流的共模電壓臨近地電位，檢流電壓可以利用一個(gè)低成本、低電壓運(yùn)放舉行放大。低邊電流檢測(cè)計(jì)劃容易而且廉價(jià)，但無數(shù)應(yīng)用無法接受檢流電阻引入的地線干擾。負(fù)載電流較大時(shí)更會(huì)加劇這個(gè)問題，由于系統(tǒng)中一部分電路的地電位因?yàn)榈瓦厵z流電阻而產(chǎn)生偏移，而這部分電路可能與另一部分地電位沒有轉(zhuǎn)變的電路互相聯(lián)系。為了更好地理解這一問題，設(shè)想采納低邊電流檢測(cè)的“智能電池”充電器（見圖2），ac/dc轉(zhuǎn)換器輸出銜接到2線智能電池。這種電池通常通過一條線傳輸電池的詳細(xì)信息，表示電池的“健康”情況，而利用另一條連線測(cè)量溫度。檢測(cè)電池溫度時(shí)，通常在電池包內(nèi)采納一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)的

4、熱敏電阻，提供一個(gè)以電池負(fù)極為參考的比例輸出信號(hào)。2所示，插入的檢流電阻舉行低邊檢測(cè)。由電池電流產(chǎn)生的檢測(cè)電壓經(jīng)過放大并反饋到控制器，提供須要的功率調(diào)整。因?yàn)闄z測(cè)電壓隨電池電流變幻，因此轉(zhuǎn)變了電池負(fù)極的電壓，造成溫度輸出的不精確。低邊檢測(cè)的另一個(gè)主要缺點(diǎn)是：無法檢測(cè)電池與地意外短路時(shí)的短路電流。圖2中，電源正極與地短路時(shí)將造成極大的電流，足以損壞開關(guān)（s1）。盡管存在這些缺陷，因?yàn)殡娐啡菀?、成本較低，對(duì)于那些不需要短路庇護(hù)的應(yīng)用，并且可以忍受地線干擾時(shí)，低邊檢測(cè)不失為一個(gè)極具吸引力的計(jì)劃。為什么挑選高邊檢測(cè)高邊電流檢測(cè)（見圖1(b)）將檢測(cè)電阻放置在高側(cè) 電源與負(fù)載之間，不僅消退了低邊檢測(cè)中浮

5、現(xiàn)的地線干擾，而且能夠檢測(cè)電池與系統(tǒng)地的短路故障。然而，高邊檢測(cè)要求檢流放大器能夠處理臨近電源電壓的共模電壓，這個(gè)共模電壓按照詳細(xì)應(yīng)用而變幻：監(jiān)測(cè)處理器核電壓時(shí)大約為1v，在工業(yè)、汽車和電信應(yīng)用中可能達(dá)到數(shù)百伏。例如，筆記本電腦的典型電池電壓為1720v，汽車應(yīng)用中電池電壓為12v、24v或48v，電信應(yīng)用中電壓通常為48v。此外，高邊電流檢測(cè)還可能用在更高電壓應(yīng)用中，如高壓電機(jī)控制、雪崩光電（apd）、pin二極管以及高壓背光。因此，高邊檢流放大器需要解決的一個(gè)關(guān)鍵問題是處理高共模電壓的能力。傳統(tǒng)的高邊檢流放大器在典型的5v供電低壓應(yīng)用中，高邊檢流放大器可以用容易的儀表放大器（ia）實(shí)現(xiàn)。但

6、ia架構(gòu)有一定的局限性，例如：限制輸入共模范圍。另外，ia的價(jià)格相對(duì)較高，而且當(dāng)共模電壓較高時(shí)，低壓ia無法滿足工作要求。由此可見，高壓是高邊檢流放大器所瀕臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。圖3 傳統(tǒng)的高邊檢流放大器解決這個(gè)問題的挺直計(jì)劃是利用電阻分壓器按一定比例降低高邊共模電壓，使其處于檢流放大器的輸入共模范圍內(nèi)。然而，這種方式增大了電路板尺寸并提高了設(shè)計(jì)成本，而且無法獲得精確的測(cè)量結(jié)果，以下給出了詳細(xì)說明。例如，假如檢流電阻兩端產(chǎn)生100mv的檢測(cè)電壓，其共模電壓為10v。對(duì)應(yīng)于100mv的滿量程輸出電壓為2.5v，要求精度在1以內(nèi)。假如我們?nèi)菀椎赝ㄟ^分壓電阻將10v共模電壓縮小10倍，3所示。運(yùn)放a1配置成

7、差分放大器，很簡單處理1v共模電壓。而vsense（100mv）將按同樣比例降低檢測(cè)電壓，提供應(yīng)差分運(yùn)放輸入的檢測(cè)電壓惟獨(dú)10mv。為了達(dá)到2.5v滿量程，必需引入額外的放大器a2，增益設(shè)置為250。注重，a1的輸入失調(diào)電壓毫無衰減地浮現(xiàn)在輸出端，并送入增益為250倍的放大器a2的輸入端。由于這些失調(diào)電壓與檢測(cè)信號(hào)無關(guān)，將疊加到a2輸入的均方根值（rss）內(nèi)，產(chǎn)生等效失調(diào)電壓。假設(shè)兩個(gè)運(yùn)放都有1mv的輸入失調(diào)，等效失調(diào)為(vos-eq)2=(vos_a1)2+(vos_a2)2其中，vos_a1和vos_a2是a1和a2的輸入失調(diào)電壓。因此，以上架構(gòu)在a2輸出端產(chǎn)生的誤差電壓為2501.4mv

8、=350mv，這只是輸入失調(diào)的影響。運(yùn)放的失調(diào)電壓將造成14的系統(tǒng)誤差。電阻不匹配對(duì)cmrr的影響其次個(gè)主要的誤差源源于運(yùn)放a1的電阻臂公差。a1的cmrr主要取決于r2/r1和r4/r3。即使兩個(gè)電阻臂的誤差為1，但仍會(huì)產(chǎn)生90v/v的輸出共模增益。利用1公差的電阻，電阻臂的比例變幻也會(huì)達(dá)到2%，在最差工作條件下，將會(huì)產(chǎn)生3.6mv/v的共模電壓誤差。因此，對(duì)于10v的輸入共模電壓，在a1輸出端可能產(chǎn)生高達(dá)36mv的誤差（電阻臂1的比例變幻會(huì)產(chǎn)生0.9mv的誤差）。36mv的誤差明顯是無法接受的，它會(huì)造成增益為250倍的a2進(jìn)入飽和狀態(tài)。1電阻臂變幻可能產(chǎn)生的放大后的誤差電壓為0.9mv25

9、0=225mv。總誤差總誤差包括：a1輸入失調(diào)電壓的rss、a2輸入失調(diào)電壓以及因?yàn)殡娮枵`差造成的輸出誤差電壓。如上所示，1的電阻公差加上10v的共模變幻，在最差條件下可能造成36mv誤差?？傆?jì)rss輸入誤差電壓為(vtotal_os)2=(vos_a1)2+(vos_a2)2 +(vos_mismatch)2其中，vos_a1和vos_a2是a1和a2的輸入失調(diào)電壓，vos_mismatch是1電阻臂變幻引起的輸入誤差電壓。即使不考慮溫度變幻的影響，a1和a2放大器的輸入失調(diào)電壓以及1電阻臂不匹配所產(chǎn)生的總誤差也會(huì)導(dǎo)致高達(dá)1.67mv250=417.5mv的誤差，是滿量程輸出的16.7。另外

10、，對(duì)于417.5mv的誤差電壓，等效于417.5mv/25=16.7mv的輸入失調(diào)誤差，這也是設(shè)計(jì)中無法接受的?？傉`差可以通過用法高精度電阻(0.1%)或有失調(diào)電壓更低的放大器得以充實(shí)。但這將進(jìn)一步增強(qiáng)了外部元件，提高系統(tǒng)成本。注重，即使沒有負(fù)載的狀況下，分壓電阻r4/r3和r2/r1仍然提供了一條對(duì)地的供電電流通路。這一低共模電阻對(duì)地通路將對(duì)電池供電產(chǎn)品造成很大影響，電阻的漏電流會(huì)快速消耗電池能量。圖4 集成高邊電流檢測(cè)放大器的基本架構(gòu)專用高邊檢流放大器實(shí)際應(yīng)用不僅需要在高共模電壓下檢測(cè)信號(hào)，而且還要求十分好的cmrr和低輸入失調(diào)電壓。圖4是頻繁的集成高邊檢流放大器（csa），集成在很小的封裝內(nèi)，從而大大縮小了電路板尺寸。采納高壓工藝創(chuàng)造這類ic，使其