使用差分放大器的高端电流检测解决方案

作者：Michael Dunn

最近我拒绝的一个 DI 有几个原因，其中包括一个存在实施问题的高端电流检测电路。这让我开始思考在电压轨上实现电流感应的不同方法。

从本质上讲，大多数直流电流检测电路都是从电源线中的电阻开始的（尽管磁场检测是一个很好的替代方案，尤其是在更高电流的情况下）。一个简单的测量电阻两端的电压降并根据需要对其进行缩放以读取电流（E = I × R（如果我不包括这个，有人会抱怨））。如果检测电阻器位于接地端，则解决方案是一个简单的运算放大器电路。一切都以接地为参考，您只需注意接地布局中的小电压降。

但通常，将检测电阻器放置在电源引线中是首选方法。为什么？接地可能不可用（例如，底盘接地的汽车设备），或者您可能不希望设备接地不同于电源接地，这可能导致接地环路和其他问题。那么，有哪些选择呢？

最明显和最明确的方法是在检测电阻上放置一个差分或仪表放大器 （inamp），但实际上这很少是一个好方法。为了准确地检测电流，通常需要极高的 CMR（共模抑制），这既昂贵又容易漂移。

怎么会这样？让我们考虑一个示例设计：0-10A、12V 标称值、5mΩ 检测电阻：

最明显的高端电流检测解决方案，使用差分放大器。

甚至不要考虑为此使用分立电阻，除非它们是精密匹配网络的一部分（因此当然不是真正的分立）。对于 1V 的电源电压偏移和 80dB 的差分放大器 CMRR（转换为约 0.01% 的电阻匹配），您将看到相当于 20mA 的电流偏移（80dB CMRR 的 1V 变化导致 0.1 mV 偏移参考输入；除以 5mΩ 检测电阻器的 5mV/A 缩放比例）。

对于 0-12V 电源，将其乘以 12：电压范围内的 240mA 偏移。

请注意，真正的三运放仪表放大器对电阻匹配的敏感度低于单运放差分放大器。尽管如此，通常有更好的方法。

我上面提到的设计理念使用了带有分立电阻的单运算放大器差分放大器。事实上，一个电阻器可以用一个电位器微调，我最初认为这是用于 CMRR，但结果是增益调整！如果电源电压坚如磐石，这在某种意义上是可行的，但这并不是一个好主意。

第二种高侧感觉方法是我在很多个月前提出的一种方法，涉及一些横向思维。我把事情放在他们的头上，并使用 V+ 作为我的参考轨而不是接地。这在概念上类似于负电源的低端感应，如果您可以摆脱它，这是一个很好的解决方案。

输出的进一步处理（例如，比较器）参考V+。R4 是可选的，用于保护。

我要告诉你的第三种方法现在在 IC 解决方案中很常见，其中晶体管和运算放大器一起工作以接地参考电流测量。当我想出我的倒置运算放大器时，我并不知道这种设计，这可能是一件好事，因为它为我节省了一个晶体管。

ST 的 TSC103 在环路中使用了 BJT。

而凌力尔特的 LTC6102 使用 MOSFET。

此类部件的来源包括ST、Maxim和Linear Tech，但您自己也很容易实现该电路。