【導讀】許多半導體供應商都為高端電流檢測提供了多種方案，然后研究這類應用的設計工程師發現，這些方案都可以遵循兩個截然不同的高壓結構來進行分類：電 流檢測放大器和差動放大器。ADI應用工程師Henri將會詳細介紹這兩種架構的重要差異，以幫助高端電流檢測設計工程師選擇最適合應用的器件…
在電機控制、電磁閥控制以及電源管理（如直流-直流轉換器與電池監控）等諸多應用中，高精度的高端電流檢測都是必需的。在這種應用中，對高端電流而非回路電流進行監控，可以提高診斷能力，如確定對地短路電流以及連續監控回流二級管電流，避免使用取樣電阻，能保持接地的完整性。圖1、圖2和圖3分別給出電磁閥控制及電機控制的典型高端電流取樣配置。
圖1. 典型電磁閥控制中的高端檢測
圖2. 典型H橋電機控制中的高端檢測
圖3. 典型三相電機控制中的高端檢測
在上述所有配置中，監控負載電流的取樣電阻上的脈寬調制(PWM)共模電壓在從地到電源的范圍內擺動。利用從電源級到FET的控制信號可以確定這個PWM輸入信號的周期、頻率和上升/下降時間。因此，監控取樣電阻上電壓的差分測量電路要求極高共模電壓抑制與高壓處理能力，以及高增益、高精度和低失調——其目的是為了反映真實的負載電流值。
在使用單一控制FET的電磁閥控制(圖1)中，電流始終沿同一方向流動，因此單向電流檢測器就足夠了。在電機控制配置(圖2與圖3)中，電機相位進行分流意味著取樣電阻中的電流沿著兩個方向流動，因此，需要雙向電流檢測器。
許多半導體供應商都為高端電流檢測提供了多種方案，然后研究這類應用的設計工程師發現，這些方案都可以遵循兩個截然不同的高壓結構來進行分類：電流檢測放大器和差動放大器。
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接下來，我們將會詳細介紹這兩種架構的重要差異，以幫助高端電流檢測設計工程師選擇最適合應用的器件。我們將比較兩個高壓器件：AD8206雙向差動放大器，AD8210雙向電流檢測放大器。這兩個器件具有相同的引腳，都具備高端電流取樣監控功能，但是其性能指標與架構卻不同。那么，如何選擇合適的器件呢？
它們如何工作
AD8206(圖4)是一款集成的高壓差動放大器, 通過內置輸入電阻網絡能夠將輸入電壓削弱至1/16.7，使其能承受高達65 V的共模電壓，以使共模電壓保持在放大器A1的輸入電壓范圍內。但是，其內部的輸入電阻網絡也會使差分信號以同樣比例衰減。為了實現AD8206的20 V/V增益，放大器A1與A2必須將差分信號放大大約334 V/V。
圖4. AD8206內部結構示意圖
這個器件通過將輸出放大器偏置到電源范圍內的適當電壓，來實現雙向輸入測量。電阻分壓網絡與放大器A2同向輸入端連接，外部低阻抗電壓施加到精密配置的電阻分壓網絡，來實現偏置。AD8206的一個優異特性是：當共模電壓為-2 V（共模偏置則為250 mV，如圖所示）時，它能夠正確地放大差分輸入電壓。
AD8210(圖5)是最近推出的一款高壓電流檢測放大器，功能與AD8210一樣，并且引腳兼容。但是，AD8210的工作方式與差動放大器不同, 其性能指標也不同。
圖5. AD8210功能示意圖
一個明顯的區別是輸入結構不依靠電阻分壓網絡來處理高共模電壓。輸入放大器包括一個采用XFCB IC制作工藝制造的高壓晶體管，由于此類晶體管的VCE擊穿電壓超過65 V，因此輸入端的共模電壓可以高達65 V。
電流檢測放大器如AD8210，采用如下方式放大小差分輸入電壓。輸入端通過R1和R2與差動放大器相連。利用晶體管Q1和Q2，可以調整流過R1和R2的電流，從而使放大器A1輸入端的電壓為零。當AD8210的輸入信號為0 V時，R1和R2中的電流相等。當差分信號非零時，其中一個電阻的電流增加，而另外一個電阻的電流下降。電流差與輸入信號大小成比例，極性相同。流過Q1 和Q2的差分電流由兩個精密調整的電阻轉換成以地為參考的差分電壓。接著，放大器A2利用低壓晶體管——由其5 V(典型值)電源供電——對該電壓進行放大，實現最終輸出增益達到20。
通常，只有輸入共模電壓保持在2 V或3 V以上時，這種架構的電流檢測放大器才有用。不過，AD8210內部的上拉電路能使放大器A1的輸入保持在5 V電源附近，即使輸入共模電壓下降到5 V以下,或低至–2 V。因此，在共模電壓以及器件的5 V電源以下時，可以實現精確的差分輸入電壓測量。
顯而易見，雖然電流檢測放大器和差動放大器工作方式不同，卻履行同樣的功能。差動放大器將高輸入電壓衰減，使信號達到放大器可以接受的電平。電流檢測放大器將差分輸入電壓轉換為電流，然后再轉換至以地為參考的電壓；其輸入放大器因采用高壓制作工藝，能承受高共模電壓，。毫無疑問，兩個架構的不同將導致其性能差異，設計工程師在選擇高端電流檢測解決方案時必須考慮這些性能差異。通常，廠商的數據手冊已提供了大部分信息，可根據精度、速度、功耗及其他參數對器件的類型做出正確判斷。然后，器件架構內在的某些重大差異是無法在數據手冊中立刻發現的，但這些也是非常重要的設計考慮事宜。下面給出了一些工程師在實現最佳解決方案時必須考慮的關鍵點。
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帶寬：由于輸入衰減，許多差動放大器的帶寬通常為電流檢測放大器的1/5。不過，差動放大器較窄的帶寬仍足以支持大多數應用。例如，許多電磁閥控制應用的工作頻率不足20 kHz，，而電機控制出于噪聲考慮，通常必須在20 kHz以上。通常，電磁閥控制檢測平均電流，差動放大器的帶寬非常適合這種應用。另一方面，對于電機控制來說，瞬時電流非常關鍵，尤其是測量電機相位時，因此，具有較寬帶寬的電流檢測器架構將更真實地反映實際電機電流。
共模抑制（CMR）：這兩種架構之間輸入結構的差異還導致CMR性能的不同。差動放大器通常具有精密跟蹤精度高達0.01%的輸入電阻。在直流電壓時，這種匹配程度通常確保80 dB CMR。而電流檢測放大器因其晶體管輸入結構，可以獲得更佳的匹配，因此其CMR不再取決于輸入電阻的匹配，通常可以達到100 dB以上，除非共模電壓較低。例如， AD8210在輸入共模電壓低于5 V時，其能提供的CMR值與差動放大器一樣，為80 dB。在這個電壓范圍下，由于其內部存在著上拉電路，輸入結構具有電阻性，CMR值與0.01%精密電阻匹配性相關。在整個范圍內，電流檢測結構將提供更好的共模抑制。
外部輸入濾波影響：如果在高端電流檢測應用中使用外部濾波，架構影響非常大。輸入濾波器的目的是平滑輸入噪聲和電流尖峰，結構通常如圖6所示。
圖6. 輸入濾波器
不管架構如何，每種放大器內部都有精密調整的輸入電阻，任何附加的外部串聯電阻都產生失配，從而帶來增益誤差和CMR誤差，其計算公式如下(Rin是指定的放大器輸入電阻):
差動放大器的輸入阻抗大于100 KΩ。對于AD8206，Rin = 200 kΩ，如果使用200Ω濾波器電阻，額外增益誤差將在0.1%以內。假設電阻的公差是1%，這些外部元件帶來的共模誤差將達–94 dB，但可以忽略不計，因為會淹沒在80dB的CMR中。
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雖然電流檢測放大器具有高得多的共模輸入阻抗，為了將差分輸入電壓轉換為電流，其串行輸入電阻通常低于5 kΩ。對于AD8210來說，差分輸入阻抗Rin = 3.5 kΩ，需對上述公式進行重新計算。在這種情況下，濾波電阻帶來的附加增益誤差可能高達5.4%！同時，假設外部電阻失配的最差情況，CMR能下降到59 dB。對于最大整體誤差低于2%的器件性能來說，這是非常大的影響。
因此，在電流檢測架構中引入輸入濾波器要非常謹慎。當內置電阻在5 kΩ以下時，應當使用阻值低于10 Ω的濾波器電阻，這將確保電流檢測放大器的原始高精度。如上所示，差動放大器可采用的輸入濾波電阻阻值范圍較寬，因為其內部的高阻值輸入電阻網絡受外部失配的影響較小。
輸入過驅動：在高端電流檢測應用中，設計工程師必須認真考慮可能使放大器工作在指定范圍以外的潛在事件。在典型應用中，雖然流經取樣電阻的負載電流僅數百毫伏，但放大器的輸入結構不同，在輸入電壓為若干伏特的故障情況下，器件是否還能正常工作？在這種情況下，差動放大器架構具有更強的魯棒性，一旦系統次序后退，更可能繼續如期地履行功能。輸入電阻網絡可以簡單的將電流流向接地端；在65 V時，AD8206的輸入端阻抗是200 kΩ，則流向接地端的電流是325 µA。
如果使用電流檢測放大器架構，設計人員必須考慮這種潛在問題。在第一個例子情況下，當輸入電壓大幅擺動時，像AD8210這樣的放大器是無法正常工作的。這種類型的放大器輸入端通常包含靜電放電（ESD）保護二極管。利用大于0.7 V的電壓差，可以對這個二極管進行正向偏壓。這個二極管的實際斷點是變化的，但大的差分電壓（如來自汽車電源）由于過壓，通常會給放大器帶來損害。
負壓保護：在許多情況下，必須保護電流檢測器免受反向電源電壓的損壞，尤其是在汽車應用中。差動放大器的電阻橋輸入可能是重要因素。不過，設計工程師必須核對器件的絕對額定值，以確保輸入ESD二極管僅在較大負壓下導通。
不過，在這種情況下，電流檢測架構并不是最優的，因為輸入放大器及其相應的輸入晶體管將直接與大的負壓相連。因為輸入信號不應當受大的輸入負直流電壓的影響，因此，電流檢測放大器的輸入ESD二極管通常設計成僅在指定輸入電壓范圍的低端以外導通。
除了直流負壓，這種電流檢測器還容易受到負的輸入瞬態負流的影響。在PWM系統中這是一種常見情況，其中電流取樣檢測器隨著內部FET開關導通與關斷，其輸入共模電壓從地到電源電壓之間擺動。同樣，也必須認真考慮最大絕對額定值，這些值主要由放大器輸入ESD二極管決定。和以前一樣，差動放大器受到高輸入電阻的保護，從本質上講是阻止負的瞬態電流進入；因此ESD二極管通常設計為能夠鉗位大的負電壓。但是，當采用電流檢測架構時，在每個短路瞬間，負瞬態電流能啟動輸入ESD保護，而通常的設計是：當輸入電壓接近放大器輸入共模額定值時，啟動輸入ESD保護。雖然這種大小的脈沖一般不會損壞AD8210放大器ESD單元，但這方面的性能因器件不同而異。為了確保不會出現錯誤，在實際系統中應當對這個參數進行測試。
輸入偏置電流：在電源管理非常重要以及必須考慮少量泄漏的應用中，兩種架構中的不同輸入結構都要求考慮輸入偏置電流。例如，在電池電流檢測系統中，兩個架構都可以監控高端電流。不過，當系統關斷且電流檢控器的電源關斷時，雖然輸入仍然與電池相連，差動放大器(如AD8206)內部電阻網絡中的固有接地線路將需要偏置電流，以持續耗盡電池電流。另一方面，由于輸入共模阻抗非常高(AD8210輸入共模阻抗>5 MΩ)，采用電流檢測架構的放大器不會耗盡電池，因為在輸入到接地的路徑中幾乎沒有電流。
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結論
在汽車、電信、消費電子和工業應用中，高端電流檢測是一種廣泛的需求。現在市場上銷售的集成高壓差動放大器和電流檢測放大器都可以實現這種功能。根據應用中的精度和性能要求，系統工程師需要認真考慮哪種類型的電流檢測器最適合其系統。下表概括出典型考慮因素。
兩種類型的電流檢測器都可以工作，但不同架構的優勢卻取決于截然不同的指標折衷。對于瞬態電流監控，寬帶寬的電流檢測放大器最適合，但差動放大器更適合監控平均電流。此外，電流檢測放大器具有最小的輸入電源關斷偏置電流泄漏，因此非常適合對電流消耗敏感的電源管理應用。不過，采用外部濾波器時，高端電流檢測放大器的輸入結構可能限制性能并要求仔細檢查，以確保在惡劣應用環境使用時不超過絕對輸入額定值。
