電(diàn)流检测放大器的基础知识，类型和设计指南

2020-06-11

電(diàn)流检测放大器是专用(yòng)放大器，其输出電(diàn)压与在電(diàn)源轨中流动的電(diàn)流成比例。電(diàn)流检测放大器也称為(wèi)電(diàn)流分(fēn)流放大器，因為(wèi)它在電(diàn)源轨中使用(yòng)了一个分(fēn)流電(diàn)阻器，当電(diàn)流流过该電(diàn)阻器时，它会提供一个小(xiǎo)的電(diàn)压降。该電(diàn)压降由電(diàn)流检测放大器转换并放大為(wèi)较小(xiǎo)的输出電(diàn)压。您还可(kě)以签出ACS712，它也用(yòng)于测量電(diàn)流，但使用(yòng)基于霍尔效应的传感器。

这些放大器是為(wèi)特殊目的而设计的，因此，该放大器可(kě)以放大并联電(diàn)阻两端的非常小(xiǎo)的检测電(diàn)压，通常在10至100 mV的范围内。電(diàn)流检测放大器专為(wèi)实现DC精度（例如，低输入失调電(diàn)压）和高共模抑制比（CMRR）而设计。電(diàn)流检测放大器可(kě)以测量在单个方向上流动的電(diàn)流，也可(kě)以测量通过检测電(diàn)阻器在两个方向上流动的電(diàn)流。在这种情况下，如果放大器能(néng)够检测两个方向的電(diàn)流，则称為(wèi)双向電(diàn)流检测放大器。

在本文(wén)中，我们将使用(yòng)示例電(diàn)路评估不同类型的電(diàn)流检测放大器。

電(diàn)流检测放大器和普通放大器之间的區(qū)别

普通放大器和電(diàn)流检测放大器具有(yǒu)不同的规格，它们是為(wèi)特定目的而制造的。运算放大器有(yǒu)很(hěn)多(duō)类型，您可(kě)以阅读本文(wén)以了解流行的运算放大器IC及其应用(yòng)。普通放大器无法放大很(hěn)小(xiǎo)的電(diàn)压，并且CMRR低。另一方面，精密電(diàn)流检测放大器可(kě)以检测和放大非常少量的電(diàn)压，并且CMRR相对较高。

对于普通的差分(fēn)放大器或标准运算放大器，電(diàn)源连接在两个電(diàn)源轨（Vcc和Vee）之间，并且这些放大器只能(néng)对位于電(diàn)源轨后面或具有(yǒu)公共接地路径的信号进行操作。如果将外部電(diàn)压施加到标准放大器的输入引脚中，则用(yòng)过的電(diàn)源轨的外部電(diàn)压可(kě)能(néng)会触发内部ESD保护二极管，并可(kě)能(néng)导致大電(diàn)流流过。

但是，電(diàn)流检测放大器的设计方式是，尽管有(yǒu)低压電(diàn)源轨（例如Vcc = 3.3 V和V  = 0V），但该放大器可(kě)以承受比提供的Vcc 高得多(duō)的引脚電(diàn)压。放大器使用(yòng)出色的電(diàn)源路径协议进行操作。只要输入電(diàn)压低于VCC，放大器就会更改其输入電(diàn)源并从输入電(diàn)压供電(diàn)。

共模電(diàn)压和CMRR

对于普通放大器和電(diàn)流检测放大器而言，共模電(diàn)压都是重要的参数。共模電(diàn)压是施加在放大器两个输入两端的平均電(diàn)压。该電(diàn)压非常重要，因為(wèi)运算放大器基于共模電(diàn)压區(qū)分(fēn)和产生输出的能(néng)力有(yǒu)限。普通运算放大器支持一小(xiǎo)段共模電(diàn)压，不适用(yòng)于精密级電(diàn)流感测操作。但是对于電(diàn)流检测放大器，共模電(diàn)压范围比放大器的实际電(diàn)源電(diàn)压要宽得多(duō)。例如，对于電(diàn)流检测放大器，INA240能(néng)够在低至2.7V的電(diàn)源上运行时支持-4V至+ 80V之间的共模電(diàn)压。  

另一方面，CMRR，共模抑制比（CMRR）是差分(fēn)增益与共模增益之比。对于理(lǐ)想的运算放大器，CMRR是无限的，但在实际電(diàn)路中，其典型范围是80至100 dB。高CMRR表示共模信号将在测量值上反映多(duō)少。因此，对于電(diàn)流检测放大器而言，它是一个重要的参数，因為(wèi)它将在输出端反映出非常低的共模信号，从而為(wèi)开拓普遍的電(diàn)流检测能(néng)力提供了可(kě)能(néng)性。電(diàn)流检测放大器具有(yǒu)较高的CMRR，并且可(kě)以检测较小(xiǎo)的共模信号。CMRR还负责降低電(diàn)流检测線(xiàn)上的噪声。 

如何使用(yòng)電(diàn)流检测放大器IC设计電(diàn)路

假设采用(yòng)12V 1A線(xiàn)路的设计，其中需要使用(yòng)大電(diàn)流检测電(diàn)路。在这种情况下，一个電(diàn)流检测電(diàn)路可(kě)以使用(yòng)内置電(diàn)流检测放大器。但是在进行電(diàn)路之前，需要為(wèi)此选择一个電(diàn)流检测放大器。

由于最大额定電(diàn)流為(wèi)1A，并且没有(yǒu)描述指定的负载，因此需要选择一个電(diàn)流检测放大器，该放大器可(kě)在12V電(diàn)源下工作，并且可(kě)以检测到超过1A的额定電(diàn)流。正如讨论的那样，需要為(wèi)低端或高端选择一些东西。在这种情况下，可(kě)以使用(yòng)高端電(diàn)流检测来检测故障或适当的短路状况。但是，低端電(diàn)流检测也可(kě)以工作。我们将在本文(wén)后面讨论两者之间的區(qū)别。

 

由于负载可(kě)能(néng)是電(diàn)容性或電(diàn)感性的，可(kě)能(néng)会产生浪涌電(diàn)流，因此可(kě)以将低值電(diàn)阻器与专用(yòng)電(diàn)流检测放大器配合使用(yòng)。对于该電(diàn)路，可(kě)以使用(yòng)LT6108，因為(wèi)它可(kě)以在2.7V至60V的電(diàn)压下工作。该放大器的CMRR也很(hěn)高，高达125dB。因此，该放大器可(kě)以在12V電(diàn)源下工作，并且可(kě)以检测到非常小(xiǎo)的電(diàn)流。

 

以上電(diàn)流检测放大器電(diàn)路是使用(yòng)LT6108构建的。0.1欧姆電(diàn)阻是感测電(diàn)阻，在流过该電(diàn)阻的電(diàn)流期间会产生電(diàn)压降。另一方面，IRF9640是由2N2700控制的开关MOSFETMOSFET。放大器可(kě)以将开关MOSFET关断為(wèi)预设值。在上面的電(diàn)路中，跨250mA产生一个跳变点。因此，如果流经電(diàn)阻的電(diàn)流超过250mA，则放大器将关闭负载MOSFET。但是，对于高于1A的跳闸電(diàn)压，可(kě)以通过電(diàn)流检测放大器INC引脚两端的分(fēn)压器来设置目标值。電(diàn)流检测放大器的OUTA引脚上的Vout可(kě)用(yòng)于检查通过電(diàn)流检测電(diàn)阻的電(diàn)流额定值。

上述電(diàn)路也可(kě)以使用(yòng)另一个電(diàn)流检测放大器来构造，该電(diàn)流检测放大器使用(yòng)的電(diàn)源電(diàn)压范围大于12V，并且可(kě)以接受输入，而与電(diàn)源電(diàn)压无关。

带有(yǒu)应用(yòng)電(diàn)路的電(diàn)流感应IC的类型  

低侧電(diàn)流检测

如前所述，使用(yòng)分(fēn)流電(diàn)阻器感测電(diàn)流，并且根据分(fēn)流電(diàn)阻器的位置，電(diàn)流感测技术会有(yǒu)所不同。低端電(diàn)流测量使用(yòng)。因此，创建活动负载的GND路径时，无论负载電(diàn)流何时返回GND，总会流过分(fēn)流電(diàn)阻。在下图中，显示了低压侧電(diàn)流测量電(diàn)路。

 

以上電(diàn)路是低压侧電(diàn)流检测技术的实际示例。左图使用(yòng)的是德州仪器（TI）的INA181電(diàn)流检测放大器，并将输出提供给ADC，该ADC将以I2C协议提供数据。右图使用(yòng)的是ADI公司的電(diàn)流检测放大器AD8202。它正在感测電(diàn)感负载的低压侧電(diàn)流。

优点：

低压侧電(diàn)流测量的优点是，易于实现，因為(wèi)分(fēn)流電(diàn)阻两端的检测電(diàn)压均以GND為(wèi)基准。在这种配置中，由于分(fēn)流電(diàn)阻两端的压降较小(xiǎo)，因此可(kě)以使用(yòng)低压電(diàn)流感测放大器。同样，由于检测到的電(diàn)压低，可(kě)以忽略共模抑制。

缺点：

低端電(diàn)流测量的主要缺点是负载会偏离参考地。这是由于在接地层中串联了一个分(fēn)流電(diàn)阻器引起的。由于接地参考断开，这种情况在负载与地面之间的短路情况下会变得很(hěn)麻烦，因為(wèi)分(fēn)流電(diàn)阻器无法检测到流过负载電(diàn)路的電(diàn)流很(hěn)大。

高端電(diàn)流检测

与低压侧電(diàn)流检测相同，高压侧電(diàn)流测量使用(yòng)相同的分(fēn)流電(diàn)阻，但放置在電(diàn)源和有(yǒu)功负载之间。在下图中，显示了高電(diàn)流检测放大器電(diàn)路。

 

以上電(diàn)路是高端電(diàn)流检测技术的实际示例。左图使用(yòng)的是德州仪器（TI）的INA240，并将输出提供给ADC，该ADC将以I2C协议提供数据。右图使用(yòng)的是ADI公司的LT6100。它与负载的保险丝一起检测高端電(diàn)流。

优点：

高端電(diàn)流测量比低端测量有(yǒu)两个优势。首先，它克服了无法检测到负载与地短路的低端電(diàn)流检测的缺点。由于在電(diàn)源平面中放置了一个分(fēn)流電(diàn)阻器，因此可(kě)以轻松检测负载和接地之间的短路情况。

其次，在该電(diàn)路中，将负载放置在参考的适当接地中，如果使用(yòng)ADC转换，则分(fēn)流電(diàn)阻器的差分(fēn)输入可(kě)以检测出准确的负载電(diàn)流，而无需额外的努力。

缺点：

但是高端電(diàn)流测量技术需要很(hěn)高的共模抑制性能(néng)，因為(wèi)在分(fēn)流電(diàn)阻两端产生的小(xiǎo)電(diàn)压低于负载電(diàn)源電(diàn)压。

双向電(diàn)流感测

 

双向電(diàn)流检测電(diàn)路使用(yòng)一个简单的分(fēn)流電(diàn)阻，但放大器需要具有(yǒu)检测各种共模電(diàn)压的能(néng)力。双向電(diàn)流感测技术比低压侧和高压侧感测有(yǒu)些复杂。有(yǒu)多(duō)种方法可(kě)以检测双向電(diàn)流。在某些情况下，例如上图，其中两个電(diàn)流检测放大器INA300的连接方式将通过任何電(diàn)流检测放大器以两种方式检测電(diàn)流。该電(diàn)路需要反极性保护以及一种开关技术，该技术将根据電(diàn)路的极性来切换放大器的输出。

检测双向電(diàn)流的其他(tā)方法是将输入電(diàn)压用(yòng)作参考，然后放大器感测跨接检测電(diàn)阻的压降并将其与参考電(diàn)压进行比较。如果下降電(diàn)压高于已知参考電(diàn)压，则下降方向為(wèi)一个方向，而低于已知参考電(diàn)压的下降電(diàn)压為(wèi)相反方向。

隔离電(diàn)流检测

隔离電(diàn)流感测技术使用(yòng)适当的CT 变压器或霍尔效应感应，当電(diàn)流流过变压器的另一个抽头时，在变压器的抽头中产生比例電(diàn)压。

 

上图是使用(yòng)隔离式電(diàn)流互感器的電(diàn)流检测放大器的另一个实际示例。它使用(yòng)德州仪器（TI）的流行電(diàn)流检测放大器INA199。

这就是電(diàn)流感测放大器与不同電(diàn)流感测技术一起使用(yòng)的方式。