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EEPW首頁 > 模擬技術 > 設計應用含羞草myhanxiucao > 簡化電流感應,如何使用電流檢測放大器進行設計(四)

編者按:簡介:在解決與為成本優化型應用設計精確電流測量電 路相關的難題時,設計人員面臨著很多選擇。方法非常廣泛, 從使用通用運算放大器或模數轉換器 (ADC)[無論是獨立工具還是嵌入到微控制器 (MCU) 中],到 利用各種專門為電流檢測而設計的定制組件,不僅 可以提供最大的靈活性,而且能夠以特定方式 解決難題。 另一個難題是如何快速有效地縮小選擇范圍,找到與您的特定系統要求最為匹配的潛在器件。TI 應用手冊通過解決特定用例,重點介紹如何識別 電路/功能問題,以及簡要介紹與該功能相關的任何難題,從而讓上述難題迎

第1章:電流檢測

本文引用地址:http://sharethedeen.com/article/202001/409436.htm

第2章:超出范圍電流測量,測量電流以檢測超出范圍的情況

第3章:開關系統中的電流檢 測 具有增強型 PWM 抑制功能的低漂移、精密直列式電機電 流測量

第4章:集成電流檢測信號鏈 集成電流檢測信號路徑(√)

集成電流檢測電阻器

含羞草myhanxiucao集成式電流檢測,模數轉換器

第5章:寬 VIN 和隔離式電流測量 將差分輸出(隔離式)連接到單端輸入 ADC


第4章:集成電流檢測信號鏈

集成電流檢測信號路徑 在電子系統中,電流測量可提供反饋,以驗證操作是否處于可接受的范圍內并檢測任何潛在的故障情況。

分析系統的電流電平可以診斷意外的運行模式,從而 實現可以提高可靠性或保護系統組件免受損壞的調整。 電流是一種難以直接測量的信號。

不過,可以采用多種測量方法來測量電流的效應。流經導線的電流會產生磁場,可以通過磁傳感器(例如霍爾效應 傳感器和磁通門傳感器)檢測到(例如).當電流通過時,還可以通過測量電阻器上產生的電壓來測量電流。這種類型的電阻器稱為電流檢測電阻器或分流電阻器。 對于低于 100V 的電壓軌上最高 100A 的電流,通常首選 分流電阻器進行測量。與磁解決方案相比,分流電阻器測 量方法物理尺寸更小、精度更高并且具有溫度穩定性。 要評估和分析系統的電流信息,必須將測量結果數字化并將其發送到系統控制器。用于測量并轉換在分流電阻上產生的信號的方法有多種。最常見的方法是采用模擬前端將電流檢測電阻器的差分信號轉換為單端信號。然后將該單端信號連接到一個模數轉換器 (ADC),該ADC連接到一個微控制器。圖 1 說明了一個電流檢測信號鏈。

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要優化電流檢測信號鏈,必須針對ADC的電流范圍和滿 量程輸入范圍選擇適當的分流電阻器值和增益。選 擇分流電阻器時,需要基于測量精度與分流電阻器功率耗 散之間的折衷進行考慮。電阻器值越大,電流流過時產生的差分電壓就越大。由于偏移電壓固定不變,因此 測量誤差會比較小。然而,分流電阻上的信號越大,其功耗 (P = I2R) 就越大。分流電阻器越小,分流電阻器上產生的壓降就越小,從而降低功率耗散要求,但由于的固定偏移誤差在信號中所占的百分比變大,因此也會增大測量誤差。

通過選擇支持所需增益的相應器件,可確保放大器的輸出信號在滿量程輸入電流電平下不會超過 ADC 的滿量程輸入范圍。

INA210是一款專用電流檢測放大器,其中集成了外部增益設置電阻器,如圖 2 所示。與典型的外部增益設置電阻器 相比,將這些增益電阻器內置到器件中可以提高匹配度和溫度漂移穩定性。器件采用節省空間的無引線四方扁平 (Q FN) 封裝,可顯著降低運算放大器和外部增益電阻器的布板空間的要求。電流檢測放大器通常具有多種固定增益水平,因此可根據輸入電流和ADC滿量程輸入范圍更好地優化與分流電阻器值的配對。

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圖1顯示了運算放大器測量分流電阻器上產生的差分電壓并將放大的信號發送到單端 ADC 的情形。 全差分輸入ADC可以直接監測分流電阻兩端的差分電壓。使用典型ADC的一個缺點是會減小輸入范圍。分流電阻器上產生的信號會很小,從而降低了該組件的功率耗散要求。 較低的ADC分辨率也會影響小信號的測量精度。

ADC 基準是該信號路徑中您必須評估的另一個誤差源。 典型ADC的輸入范圍基于轉換器的基準電壓。實際基準 電壓范圍因器件而異,但通常處于2V至5V范圍內。 最低有效位 (LSB) 基于轉換器的滿量程范圍和分辨率。 例如,滿量程輸入范圍為 2.5V 的 16 位轉換器具有約 38μV 的 LSB。

The INA226 是一款專為雙向電流檢測放大器設計的專用ADC。 與典型 ADC 不同,這款 16 位轉換器具有 ±80mV 的滿量程輸入范圍,無需放大輸入信號以最大限 度地擴大 ADC 的滿量程輸入范圍。INA226 能夠根據器件的最大輸入失調電壓 (10μV) 和 LSB 大小 (2.5μV) 來精確測量小分流電壓。INA226 的分辨率是具有 2.5V 滿量程輸入范圍的等效標準 16 位 ADC 的 15 倍。INA226 可以直接監測電流 檢測電阻器上的壓降,如圖 3 所示。

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除了能夠直接測量電流流過時分流電阻器上產生的電壓,INA226 還可以測量共模電壓。INA226 具有一個 輸入多路復用器,使 ADC 輸入電路能夠在差分分流 電壓測量和單端總線電壓測量之間進行切換。 您可以將系統中存在的電流檢測電阻器值編程到 INA226 的配置寄存器中。根據該電流檢測電阻器值和測量的分流電壓,片上計算將分流電壓重新轉換成電流,并且可以直接讀出系統的相應功率水平。在片上執行這些計算可減少轉換該信息 通常需要的處理器資源。

備選器件建議

對于具有更高性能要求的應用,INA190可提供更小的輸入失調電壓以及更佳的漂移和增益誤差性能。 對于性能要求較低的應用,INA199 仍然具有專用電流檢測放大器的優勢。 對于實現過流檢測的應用,INA301 采用了集成比較器, 可實現用時短至 1μs 的片上過流檢測。 對于性能要求較低的應用,INA219使您能夠利用專用的電流檢測ADC。

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集成電流檢測電阻器

電流是評估和診斷電子系統運行效能最為常用的信號之 一。由于直接測量該信號非常具有挑戰性,因此轉而使用各類傳感器來測量由于電流流經整個系統而產生的相應效應。

電阻是檢測系統中流經的電流最為常用的感測元件。將電阻器(稱為分流器)與電流路徑串聯之后,當電流流經該電阻器時,會在該電阻器上產生差分電壓。 用于監測電流信號的一種常見信號鏈配置包括模擬前 端 (AFE)、 模數轉換器 (ADC) 和系統控制器,如圖 1 所示。AFE (例如運算放大器或專用電流檢測放大器)將分流電阻 器上產生的小差分電壓轉換為較大的輸出電壓,由 ADC 將該輸出電壓數字化,然后將相關信息發送至控制器。 系統控制器使用該電流信息來優化系統的運行性能,或 在發生超出范圍的情況時通過減少功能來避免發生有害工況。

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適當的電阻值選擇對于優化信號鏈路徑至關重要。電阻值以及分流電阻兩端對應產生的電壓會導致系統發 生功率損耗。為限制功率損耗,最好將分流電阻降至最低。

電阻器值與產生的信號成正比,并發送到電流檢測放大器。 放大器具有與其關聯的固定固有誤差(例如輸入失調電壓),可影響測量精度。這些內部誤差對于總體測量精 度的影響隨著輸入信號的增大而降低。當輸入信號下降時,相應的測量誤差隨之增大。信號電平和可接受的測 量精度之間的這種關系通常為電流檢測電阻器選擇提供較低的限制。全新根據應用針對該組件的可接受功率損耗來限制電流檢測電阻器的上限值。

使用電阻器進行電流測量的一個好處是可以使用精確的元件, 從而提供高精度且溫度穩定的測量。精密電流檢測放大 器的測量功能針對連接極小信號進行了優化,以滿足使用低值電阻器和低功率損耗要求。當電阻器的歐姆值降低至 10 毫歐以下時,電阻器會有兩種趨勢。 這部分電阻器的一種趨勢是封裝可用性和電阻器值都會降低。

另一種趨勢是使用精密低溫度系數組件的成本增加。如果使用溫度系數較低的低歐姆值電流檢測電阻器,同時 兼顧精度容差水平(約 0.1%),那么解決方案的成本在未計入精密放大器相關成本的情況下便高達數美元。 INA250(如圖 2 中所示)或 INA253 等組件有助于減 少為需要精確且溫度穩定測量的應用選擇這些精度更高、成本更高的電阻器所面臨的挑戰。該器件將精密、 零漂移電壓輸出電流檢測放大器與 2mΩ 集成電流檢測電阻器相結合,可以在該器件 -40°C 至 +125°C 的 完整工作溫度范圍內實現 0.1% 的最大容差和 15ppm /°C 的溫度漂移。該器件可以承受高達 15A 的流經板 載電阻器的連續電流。

除了該器件內部的集成精密電阻器之外,INA250 和 IN A253 還解決了實現電流檢測解決方案過程中最為常見的問題之一。低歐姆值分流電阻器可降低電流檢測功率 耗散。適應這種低電阻值所面臨的一項挑戰是寄生電阻對印刷電路板 (PCB) 的潛在影響。在電流流經電阻產生分壓電壓的同時,與分流電阻串聯的寄生電 阻會引發附加測量誤差。糟糕的布局技術是這些測量誤差的最常見來源。

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需要使用開爾文連接(也稱四端子連接或強制檢測)來確保最大限度地降低額外產生的電阻,進而改變在放大 器的輸入引腳之間產生的差分電壓。可以采用 PCB 布 局技術來降低寄生電阻影響;不過,如果采用 INA250 或 INA253,就無需為此擔憂。

如前所述,典型的電流檢測信號鏈路徑包括電流檢測 電阻器、模擬前端、ADC 和系統控制器。INA250 將分流電阻器和電流檢測放大器組合 時域。INA260 將電流檢測電阻器、測量前端和 ADC組合到一個器件中。

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將精密低漂移電流檢測與這些精密電流檢測器件配對使 用,可實現采用分立式放大器和電阻器組合難以實現的 測量解決方案。少數電流檢測電阻器目錄產品能夠實現精密且溫度穩定的測量,但以與薄型小外形尺寸封裝 (TSSOP)-16 集成解決方案相當的解決方案尺寸實現該精度水平是不可能的。

圖 3 顯示 INA260 采用相同的精密集成檢測電阻 器,搭配使用針對電流檢測應用進行了優化的 16 位精密 ADC。 這種組合可實現 優于 INA250 的測量性能,在整個溫度范圍內的最大測量增益誤差為 0.5%,最大輸入失調電流為 5mA。

備選器件建議

對于電流要求比集成解決方案支持的電流更低且性能更低的應用,請使用 INA210 獨立電流檢測放大器。 對于需要獨立數字電源監控器的應用,請使用 INA226。 對于實現過流檢測的應用,INA301 采用了集成比較器, 可實現時間短至 1μs 的片上過流檢測。

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集成式電流檢測模數轉換器

在不同的系統中,用來測量電流的信號鏈路徑通常都是一致的。無論是在計算機、汽車還是電機中測量電流, 幾乎所有設備都具有相同的功能塊。連接光、溫度(或本例中的電流)等現實世界元素需要使用傳感器,以便將信號轉換為更易于測量的比例值(電壓或電流)。

多種傳感器都使用磁場感應來檢測電流效應。這些傳感器對于檢測很大的電流或在需要進行隔離式測量時非常有效。 測量電流時最常用的傳感器是電流檢測或分流電阻器。 將該組件與被測量的電流串聯放置后, 會在電流通過電阻器時產生成比例的差分電壓。

信號路徑中其余塊的選擇基于系統將如何使用該測量電流信息。對于大多數應用而言,有多個塊是相同的,如 圖 1 所示。這些塊包括用于放大傳感器小信號的模擬前端 (AFE)、用于數字化處理傳感器放大信號的模數轉 換器 (ADC) 以及用于分析傳感器信息的處理器,以便系統可以相應 地響應測量的電流水平。

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對AFE的一項要求是允許直接連接到在檢測電阻器上形成的差分信號。AFE 的單端輸出 可簡化連接到后續 ADC 的接口。差分放大器配置中的運算放大器通常便是用于滿足該功能要求。專用電流檢測放大器(例如 INA210)采用了集成增益設置組件, 專為該類型的應用而設計。INA210 能夠準確測量很小的信號,從而降低對檢測電阻器的功率耗散要求。

下一個信號鏈塊是ADC,它用于將放大的傳感器信號數字化。該器件可能需要額外的外部組件(基準、振 蕩器)以實現更精確的測量功能。與AFE類似,ADC塊也具有各種選項。您可以選擇獨立轉換器搭配板載基準和振蕩器的實施方式,也可以選擇采用板載 ADC 通道的處理器。

集成式和分立式ADC塊各有優勢和限制。由于ADC集成到處理器中,因此一項明顯的優勢是組件更少。板載ADC通道的現有指令集進一步降低了對用于支持獨立 ADC的額外軟件的要求。不過,數字控制器的硅工藝節點通常針對精密模擬的優化程度較低,這限制了板載轉換器的性能。分立式模數轉換器的一項優勢就是,允許根據優化的性能屬性(如分辨率、噪聲或轉換速度) 來選擇器件。

該信號鏈有一種變體,即使用 ADC 直接在電流檢測電阻器上進行測量,從而完全無需電流檢測放大器。標準轉換器將會在取代AFE并直接測量分流電壓方面面臨挑戰。其中一個挑戰便是 ADC 的大型滿標量程。

如果不對檢測電阻器的壓降進行放大,則無法充分利用ADC的滿量程,或者需要在電阻器上產生較大的壓降。較大的壓降將導致檢測電阻器上產生較大的功率耗散。有些ADC具有經修改的輸入范圍,旨在直接測量較小的信號,從而可以直接測量分流電壓。這些器件中通常集成了內部可編程增益放大器 (PGA),以利用 ADC 的滿量程。

這些小信號轉換器的一個限制是它們的共模輸入電壓范圍有限。這些ADC的輸入電壓范圍受到其電源電壓(通常為 3V 至 5.5V)的限制,具體取決于所支持的核心處理器電壓。INA226(如圖 2 所示)是特定于電流檢測的 ADC,可解決該共模限制問題。該器件具有 16 位 Δ-Σ 內核,可監測高達 36V 的共模電壓軌上的小差分分流電壓,同時由范圍為 2.7V 至 5.5V 的電源電壓進行供電。

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INA226 與 ADC 類似(具有經修改的小輸入范圍), 具有大約 80mV 的滿量程輸入范圍,使器件能夠直接 在電流檢測電阻器上進行測量。INA226 能夠通過 2.5 μV 的最低有效位 (LSB) 步長和 10μV 的最大輸入失調電壓非常準確地解析小電流變化。0.1μV/°C 的失調漂移可確保較高的測量精度,在高達 125°C 的溫度下,僅額外產生12.5μV 的失調。憑借 0.1% 的最大增益誤差,還能在滿量程信 號水平保持較高的測量精度。

盡管 INA226 能夠精確測量小分流電壓,但該器件還具有可用于電流檢測應用的附加功能。該器件具有一個內部寄存器,用戶可以使用印刷電路板 (PCB) 上的電流檢測電阻器的特定值對其進行編程。通過獲知電流檢測電阻器值,INA226 可以在每次轉換時直接將測量的分流電壓轉換為相應的電流值,并將其存儲到附加的輸出寄存器中。

INA226 還具有一個內部多路復用器:該器件可以從差分輸入測量切換到單端電壓配置,從而可以直接測量共模電壓。利用電壓測量以及之前測量的分流電壓和相應的電流計算結果,該器件能夠計算功率。該器件存儲此功率計算結果,并通過雙線串行總線向處理器提供該值以 及分流電壓、電流和共模電壓信息。

除了片上電流和功率計算之外,INA226 還具有一個可編程警報寄存器,該寄存器可以將每個轉換值與定義的限 值進行比較,以確定是否發生了超出范圍的情況。 可以對該警報監視器進行配置,以測量超出范圍的情況(如過流、過壓或過功率)。

該器件還具有可編程信號取平均值功能,以進一步提高測量精度。INA226 經過優化,支持精密電流測量。器件中包含的其他功能可以支持必需的信號管理和監測,并減輕系統處理器的負擔。

備選器件建議

對于性能要求較低的應用,INA230 仍可以利用專用電 流檢測模數轉換器的優點。 對于測量的電流低于 15A 的附加精密測量功能,INA260 可提供與 INA226 類似的功能,同時還在封裝中采用了精密 2mΩ 集成電流檢測電阻器。

對于需要高得多的共模電壓功能的應用,AMC1305 可提 供 板載隔離,能夠支持高達 1.5kV 的直流工作電壓并處理 高達 7kV 的峰值瞬態。對于 AFE 性能要求較低的應用,INA210 仍可以利用專用電流檢測放大器的優點。

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關鍵詞: 放大器 概述
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