電dian流liu的de檢jian測ce有you兩liang種zhong基ji本ben的de方fang案an。一yi種zhong是shi測ce量liang電dian流liu流liu過guo的de導dao體ti周zhou圍wei的de磁ci場chang，另ling一yi種zhong是shi在zai電dian流liu路lu徑jing中zhong插cha入ru一yi個ge小xiao電dian阻zu，然ran後hou測ce量liang電dian阻zu上shang的de壓ya降jiang。第di一yi種zhong方fang法fa不bu會hui引yin起qi幹gan擾rao或huo引yin入ru插cha損sun，但dan成cheng本ben相xiang對dui比bi較jiao昂ang貴gui，而er且qie容rong易yi產chan生sheng非fei線xian性xing效xiao應ying和he溫wen度du係xi數shu誤wu差cha。因yin此ci磁ci場chang檢jian測ce方fang法fa通tong常chang局ju限xian於yu能neng夠gou承cheng受shou與yu無wu插cha損sun相xiang關guan的de較jiao高gao成cheng本ben的de應ying用yong。

 

本(ben)文(wen)主(zhu)要(yao)討(tao)論(lun)半(ban)導(dao)體(ti)行(xing)業(ye)中(zhong)已(yi)經(jing)得(de)到(dao)應(ying)用(yong)的(de)電(dian)阻(zu)檢(jian)測(ce)技(ji)術(shu)，它(ta)能(neng)為(wei)各(ge)種(zhong)應(ying)用(yong)提(ti)供(gong)精(jing)確(que)且(qie)高(gao)性(xing)價(jia)比(bi)的(de)直(zhi)流(liu)電(dian)流(liu)測(ce)量(liang)結(jie)果(guo)。本(ben)文(wen)還(hai)介(jie)紹(shao)了(le)高(gao)邊(bian)和(he)低(di)邊(bian)檢(jian)測(ce)原(yuan)理(li)，並(bing)通(tong)過(guo)實(shi)際(ji)例(li)子(zi)幫(bang)助(zhu)設(she)計(ji)師(shi)選(xuan)擇(ze)適(shi)合(he)自(zi)己(ji)應(ying)用(yong)的(de)最(zui)佳(jia)方(fang)法(fa)。

 

 

在(zai)電(dian)流(liu)路(lu)徑(jing)中(zhong)以(yi)串(chuan)聯(lian)的(de)方(fang)式(shi)插(cha)入(ru)一(yi)個(ge)低(di)阻(zu)值(zhi)的(de)檢(jian)測(ce)電(dian)阻(zu)會(hui)形(xing)成(cheng)一(yi)個(ge)小(xiao)的(de)電(dian)壓(ya)降(jiang)，該(gai)壓(ya)降(jiang)可(ke)被(bei)放(fang)大(da)從(cong)而(er)被(bei)當(dang)作(zuo)一(yi)個(ge)正(zheng)比(bi)於(yu)電(dian)流(liu)的(de)信(xin)號(hao)。然(ran)而(er)

，根(gen)據(ju)具(ju)體(ti)應(ying)用(yong)環(huan)境(jing)和(he)檢(jian)測(ce)電(dian)阻(zu)的(de)位(wei)置(zhi)
，這(zhe)種(zhong)技(ji)術(shu)將(jiang)對(dui)檢(jian)測(ce)放(fang)大(da)器(qi)造(zao)成(cheng)不(bu)同(tong)的(de)挑(tiao)戰(zhan)。

 

比如將檢測電阻放在負載和電路地之間，那麼該電阻上形成的壓降可以用簡單的運放進行放大(見圖1B)。這種方法被稱為低邊電流檢測，與之相對應的方法為高邊檢測，即檢測電阻放在電源和負載之間(見圖1A)。

 

圖1：上麵簡化的框圖描述了一種基本的高邊檢測電路(圖1A)和一種基本的低邊檢測電路(圖1B)。

 

檢(jian)測(ce)電(dian)阻(zu)值(zhi)應(ying)盡(jin)可(ke)能(neng)低(di)
，以(yi)保(bao)持(chi)功(gong)耗(hao)可(ke)控(kong)，但(dan)也(ye)要(yao)足(zu)夠(gou)大(da)
，以(yi)便(bian)產(chan)生(sheng)能(neng)被(bei)檢(jian)測(ce)放(fang)大(da)器(qi)檢(jian)測(ce)到(dao)並(bing)在(zai)目(mu)標(biao)精(jing)度(du)內(nei)的(de)電(dian)壓(ya)。值(zhi)得(de)注(zhu)意(yi)的(de)是(shi)，在(zai)檢(jian)測(ce)電(dian)阻(zu)上(shang)得(de)到(dao)的(de)這(zhe)種(zhong)差(cha)分(fen)檢(jian)測(ce)信(xin)號(hao)寄(ji)生(sheng)在(zai)一(yi)個(ge)共(gong)模(mo)電(dian)壓(ya)上(shang)，這(zhe)個(ge)共(gong)模(mo)電(dian)壓(ya)對(dui)低(di)邊(bian)檢(jian)測(ce)方(fang)法(fa)來(lai)說(shuo)接(jie)近(jin)地(di)電(dian)平(ping)(0V)，但dan對dui高gao邊bian檢jian測ce方fang法fa來lai說shuo就jiu接jie近jin電dian源yuan電dian壓ya。這zhe樣yang，測ce量liang放fang大da器qi的de輸shu入ru共gong模mo電dian壓ya範fan圍wei對dui低di邊bian方fang案an來lai說shuo應ying包bao含han地di，對dui高gao邊bian方fang案an來lai說shuo應ying包bao含han電dian源yuan電dian壓ya。

 

由於低邊檢測時的共模電壓接近地電平，因此電流檢測電壓可以用一個低成本、低di電dian壓ya的de運yun放fang進jin行xing放fang大da。低di邊bian電dian流liu檢jian測ce簡jian單dan且qie成cheng本ben低di，但dan許xu多duo應ying用yong不bu能neng容rong忍ren由you於yu檢jian測ce電dian阻zu引yin入ru的de地di線xian幹gan擾rao。較jiao高gao的de負fu載zai電dian流liu會hui使shi問wen題ti更geng加jia嚴yan重zhong，因yin為wei係xi統tong中zhong地di電dian平ping被bei低di邊bian電dian流liu檢jian測ce偏pian移yi的de某mou個ge模mo塊kuai可ke能neng需xu要yao與yu地di電dian位wei沒mei變bian的de其qi他ta模mo塊kuai進jin行xing通tong信xin。

 

為了更好地理解這個問題
，可以看一下圖2中采用低邊電流檢測技術的“智能電池”充電器，其中AC/DC轉換器的輸出連接到了“2線”智能電池。

 

圖2：采用低邊電流檢測技術的“智能電池”。

 

zhezhongdianchitongchangcaiyongdanxianlaichuandizhishidianchizhuangtaidedianchixijiexinxi，haiyouyigenxianyongyuwenduceliang
，chuyuanquandeyuanyin，zhegenxianyufujihezhengjiduanzishigelide。weilejiancedianchiwendu
，dianchitongchangneizhiyigeremindianzu，yougaidianzutigongzhengbiyudianchifujidianyadeshuchuxinhao。

 

當采用低邊檢測方案時，可按照如圖2底di部bu所suo示shi的de方fang式shi插cha入ru檢jian測ce電dian阻zu。由you電dian池chi電dian流liu產chan生sheng的de檢jian測ce電dian壓ya經jing放fang大da後hou饋kui入ru控kong製zhi器qi

，再zai由you控kong製zhi器qi做zuo出chu一yi些xie必bi要yao的de處chu理li來lai調tiao整zheng功gong率lv流liu。由you於yu檢jian測ce電dian壓ya隨sui電dian池chi電dian流liu而er變bian


，這zhe樣yang就jiu會hui改gai變bian電dian池chi負fu極ji的de電dian壓ya，而er溫wen度du輸shu出chu是shi以yi負fu極ji端duan子zi作zuo為wei基ji準zhun信xin號hao因yin此ci就jiu導dao致zhi溫wen度du輸shu出chu不bu精jing確que。

 

低邊檢測的另外一個主要缺點

，體現在電池和地之間意外短路所導致的短路電流不能被檢測到。在圖2所示電路中
，正極電源和地之間短路會產生足夠毀壞MOS開關(S1)的(de)大(da)電(dian)流(liu)。然(ran)而(er)，盡(jin)管(guan)有(you)這(zhe)樣(yang)的(de)問(wen)題(ti)，低(di)邊(bian)檢(jian)測(ce)方(fang)案(an)的(de)簡(jian)單(dan)和(he)低(di)成(cheng)本(ben)使(shi)得(de)它(ta)對(dui)那(na)些(xie)短(duan)路(lu)保(bao)護(hu)不(bu)是(shi)必(bi)要(yao)的(de)應(ying)用(yong)來(lai)說(shuo)有(you)很(hen)大(da)的(de)吸(xi)引(yin)力(li)
，因(yin)為(wei)在(zai)這(zhe)種(zhong)應(ying)用(yong)中(zhong)地(di)線(xian)幹(gan)擾(rao)是(shi)可(ke)以(yi)容(rong)忍(ren)的(de)。

 

 

高邊電流檢測(圖1b)指(zhi)的(de)是(shi)將(jiang)檢(jian)測(ce)電(dian)阻(zu)放(fang)在(zai)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)和(he)負(fu)載(zai)之(zhi)間(jian)的(de)高(gao)位(wei)。這(zhe)種(zhong)放(fang)置(zhi)方(fang)式(shi)不(bu)僅(jin)消(xiao)除(chu)了(le)低(di)邊(bian)檢(jian)測(ce)方(fang)案(an)中(zhong)產(chan)生(sheng)的(de)地(di)線(xian)幹(gan)擾(rao)，還(hai)能(neng)檢(jian)測(ce)到(dao)電(dian)池(chi)到(dao)係(xi)統(tong)地(di)的(de)意(yi)外(wai)短(duan)路(lu)。

 

然而

，高邊檢測要求檢測放大器處理接近電源電壓的共模電壓。這種共模電壓值範圍很寬，從監視處理器內核電壓要求的電平(約1V)到在工業
、汽車和電信應用常見的數百伏電壓不等。應用案例包括典型筆記本電腦的電池電壓(17到20V)，汽車應用中的12V
、24V或48V電池，48V電信應用，高壓電機控製應用，用於雪崩二極管和PIN二極管的電流檢測以及高壓LED背光燈等。因此，高邊電流檢測的一個重要優勢，那就是檢測放大器具備處理較大共模電壓的能力。

 

 

對於工作在5V的典型低壓應用來說，高邊檢測放大器可采用簡單的儀表放大器(IA)。然而，不同的IA架構有著不同的限製
，如有限的輸入共模電壓範圍。另外
，IA也比較昂貴，而且在較高共模電壓時，低壓IA根本無法工作。因此設計高壓高邊電流檢測所需的放大器是一個艱巨的挑戰。

 

jiejuezhegewentideyigezhijieledangdefangfa
，jiushishiyongjiandandedianzufenyaqilaijiangdigaobiangongmodianya，rangzhegegongmodianyaluozaijianceyunfangdeshurugongmofanweinei。raner

，zhezhongfangfabujintijida，chengbengao

，erqiexiangxiawenshuomingdenayanghaikenengwufatigongjingquedejieguo。

 

讓我們考慮這樣一個例子：在檢測電阻上產生100mV檢測電壓，該電壓寄生在10V的共模電壓上。對應100mV滿幅檢測電壓的理想輸出是2.5V，最差精度指標是1%。

 

采用圖3所示的簡單電阻分壓器可將10V共模電壓減小10倍。

 

圖3：實現傳統高邊電流檢測的電路。

 

配置為差分放大器的運放A1能很輕鬆地處理1V共模電壓。但Vsense(100mV)同樣也被縮小了10倍，因此在差分放大器A1的輸入端檢測電壓隻有10mV。為了提供要求的2.5V滿刻度電平，還必須引入第二個放大器A2，並設置為250倍的增益。

 

值得注意的是
，A1的輸入偏移電壓無衰減地出現在其輸出端，同時出現在A2輸入端，然後被放大250倍。由於這些偏移電壓是不相關的
，它們在A2輸入端可能整合為一個平方根和(RSS)，並形成等效偏移電壓。假設兩個運放都有1mV的輸入偏移電壓，那麼等效偏移電壓為：

 

 

其中VOS_A1和VOS_A2分別是A1和A2的輸入偏移電壓。

 

 

因此由上述公式可以得出A2輸出端僅由輸入偏移電壓所引起的誤差電壓為：

 

250(1.4mV) = 350mV

 

這樣，運放偏移電壓造成了14%的係統誤差。

 

 

第二個主要的誤差源，是來自與放大器A1的電阻臂相關的公差。A1的CMRR很大程度上取決於電阻增益設置臂R2/R1和R4/R3之比值。兩個臂中電阻比值即使差1%，也會產生90μV/V的輸出共模增益。

 

使用1%公差的電阻時，電阻臂比值最大變化為±2%
，相當於最壞情況下3.6mV/V的共模電壓誤差。這樣，10V的輸入共模電壓變化將在A1輸出端產生高達36mV的誤差(電阻臂變化1%時的誤差為0.9mV)。36mV的誤差顯然是不能接受的
，因為它將導致增益為250的A2出現飽和！即使電阻臂比值變化1%也會產生放大的誤差電壓0.9mVx250=225mV。

 

 

總誤差等於A1輸入偏移電壓
、A2輸入偏移電壓
、以及由電阻精度引起的誤差電壓的RSS總和。如上所述，電阻%1的精度變化加上10V的共模電壓變化本身就會產生最大36mV的誤差
，並使A2飽和。假設電阻臂R2/R1和R4/R3之間的比值隻變化1%，輸出誤差也將高達0.9mV。因此總的RSS輸入誤差電壓為：

 

 

其中VOS_A1和VOS_A2分別是A1和A2的輸入偏移電壓，VOS_MISMATCH是由於電阻臂比值1%的變化引起的輸入誤差電壓：

 

 

即使我們忽略溫度變化，由於放大器A1和A2的偏移電壓以及電阻臂比值1%的失配引起的總誤差也可能高達1.67mVx250=417.5mV


，是滿刻度輸出的16.7%。換句話說，417.5mV誤差電壓看上去像是417.5mV/25 = 16.7mV的輸入偏移誤差，這顯然是不可接受的。

 

總誤差可以通過使用更高精度的電阻(0.1%)
、或具有更好偏移電壓規格的放大器來縮小。但這些措施將進一步增加本來就已經包含了眾多元件的係統的成本。

 

另外，即使沒有負載，電阻分壓器R4/R3和R2/R1也提供了電源電流到地的流通路徑。這種到地的低共模阻抗在電池供電設備中很關鍵


，因為電阻路徑中的漏電會迅速泄漏電池能量。

 

 

綜上所述，理想的器件不僅要能檢測較高共模電壓上的電壓
，而且要具有非常好的CMRR和低輸入偏移電壓。圖4中基本的高邊電流檢測放大器(CSA)已經能以IC的形式買到，並采用小型封裝以最小化電路板尺寸。生產這種IC時使用的高壓製造工藝允許它們即使是在低至2.8V電源電壓下工作也能處理高達80V以上的共模電壓。

 

圖4：包含這些基本元件的集成高邊電流檢測放大器。(負載、電流鏡像、緩衝器)

 

電流流經圖4中的檢測電阻會產生一個很小的差分電壓
，該電壓必定通過增益電阻RG1。而(正比於檢測電壓的)zhegedianliubeijingxianghechulihoutigongyidiweicankaodeshuchudianliu，congerwanchengconggaobiandelixiangdianpingpianyi。zhegedianliushuchukeyitongguoliujingyigedianzuhuodianyahuanchongqierzhuanhuanweidianya。

 

美信公司的這個高邊CSA具有以下一些特性：該芯片有非常高的共模輸入阻抗，最小的輸入偏移電壓，低於1%的精度指標和典型100dB的CMRR。這些特性為傳統高邊CSA中常見的問題提供了高性價比的解決方案。其小型封裝(2.2mmx2.4mm SC70，3mmx3mm SOT，1mmx1.5mm USCP等)使電路板尺寸得以保持最小。

 

這些高邊放大器可以適合眾多應用中的低成本電流檢測使用，每一種放大器都針對特定應用作了優化。例如，MAX4372
、MAX9928/29和MAX9938適合電池供電的設備，而MAX9937和MAX4080非常適合工業係統
，MAX4069和MAX9923則是需要超低偏移電流應用的最好選擇。由於不使用低邊電流檢測方案

，所有這些IC有效地避免了地彈電壓和短路檢測功能缺失的問題。