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简化电流感应,如何使用电流检测放大器进行设计(四)

—— 简化电流感应,如何使用电流检测放大器进行设计
作者:Scott Hill, Dennis Hudgins, Arjun Prakash, Greg Hupp, Scott Vestal, Alex Smith, Leaphar Castro, Kevin Zhang, Maka Luo, Raphael Puzio, Kurt Eckles时间:2020-01-20来源:TI(德州仪器)收藏
编者按:简介:在解决与为成本优化型应用设计精确电流测量电 路相关的难题时,设计人员面临着很多选择。方法非常广泛, 从使用通用运算放大器或模数转换器 (ADC)[无论是独立工具还是嵌入到微控制器 (MCU) 中],到 利用各种专门为电流检测而设计的定制组件,不仅 可以提供最大的灵活性,而且能够以特定方式 解决难题。 另一个难题是如何快速有效地缩小选择范围,找到与您的特定系统要求最为匹配的潜在器件。TI 应用手册通过解决特定用例,重点介绍如何识别 电路/功能问题,以及简要介绍与该功能相关的任何难题,从而让上述难题迎

第1章:电流检测

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

第2章:超出范围电流测量,测量电流以检测超出范围的情况

第3章:开关系统中的电流检 测 具有增强型 PWM 抑制功能的低漂移、精密直列式电机电 流测量

第4章:集成电流检测信号链 集成电流检测信号路径(√)

集成电流检测电阻器

黑龙江11选5集成式电流检测,模数转换器

第5章:宽 VIN 和隔离式电流测量 将差分输出(隔离式)连接到单端输入 ADC


第4章:集成电流检测信号链

集成电流检测信号路径 在电子系统中,电流测量可提供反馈,以验证操作是否处于可接受的范围内并检测任何潜在的故障情况。

分析系统的电流电平可以诊断意外的运行模式,从而 实现可以提高可靠性或保护系统组件免受损坏的调整。 电流是一种难以直接测量的信号。

不过,可以采用多种测量方法来测量电流的效应。流经导线的电流会产生磁场,可以通过磁传感器(例如霍尔效应 传感器和磁通门传感器)检测到(例如)。当电流通过时,还可以通过测量电阻器上产生的电压来测量电流。这种类型的电阻器称为电流检测电阻器或分流电阻器。 对于低于 100V 的电压轨上最高 100A 的电流,通常首选 分流电阻器进行测量。与磁解决方案相比,分流电阻器测 量方法物理尺寸更小、精度更高并且具有温度稳定性。 要评估和分析系统的电流信息,必须将测量结果数字化并将其发送到系统控制器。用于测量并转换在分流电阻上产生的信号的方法有多种。最常见的方法是采用模拟前端将电流检测电阻器的差分信号转换为单端信号。然后将该单端信号连接到一个模数转换器 (ADC),该ADC连接到一个微控制器。图 1 说明了一个电流检测信号链。

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要优化电流检测信号链,必须针对ADC的电流范围和满 量程输入范围选择适当的分流电阻器值和增益。选 择分流电阻器时,需要基于测量精度与分流电阻器功率耗 散之间的折衷进行考虑。电阻器值越大,电流流过时产生的差分电压就越大。由于偏移电压固定不变,因此 测量误差会比较小。然而,分流电阻上的信号越大,其功耗 (P = I2R) 就越大。分流电阻器越小,分流电阻器上产生的压降就越小,从而降低功率耗散要求,但由于的固定偏移误差在信号中所占的百分比变大,因此也会增大测量误差。

通过选择支持所需增益的相应器件,可确保放大器的输出信号在满量程输入电流电平下不会超过 ADC 的满量程输入范围。

INA210是一款专用电流检测放大器,其中集成了外部增益设置电阻器,如图 2 所示。与典型的外部增益设置电阻器 相比,将这些增益电阻器内置到器件中可以提高匹配度和温度漂移稳定性。器件采用节省空间的无引线四方扁平 (Q FN) 封装,可显著降低运算放大器和外部增益电阻器的布板空间的要求。电流检测放大器通常具有多种固定增益水平,因此可根据输入电流和ADC满量程输入范围更好地优化与分流电阻器值的配对。

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图1显示了运算放大器测量分流电阻器上产生的差分电压并将放大的信号发送到单端 ADC 的情形。 全差分输入ADC可以直接监测分流电阻两端的差分电压。使用典型ADC的一个缺点是会减小输入范围。分流电阻器上产生的信号会很小,从而降低了该组件的功率耗散要求。 较低的ADC分辨率也会影响小信号的测量精度。

ADC 基准是该信号路径中您必须评估的另一个误差源。 典型ADC的输入范围基于转换器的基准电压。实际基准 电压范围因器件而异,但通常处于2V至5V范围内。 最低有效位 (LSB) 基于转换器的满量程范围和分辨率。 例如,满量程输入范围为 2。5V 的 16 位转换器具有约 38μV 的 LSB。

The INA226 是一款专为双向电流检测放大器设计的专用ADC。 与典型 ADC 不同,这款 16 位转换器具有 ±80mV 的满量程输入范围,无需放大输入信号以最大限 度地扩大 ADC 的满量程输入范围。INA226 能够根据器件的最大输入失调电压 (10μV) 和 LSB 大小 (2.5μV) 来精确测量小分流电压。INA226 的分辨率是具有 2.5V 满量程输入范围的等效标准 16 位 ADC 的 15 倍。INA226 可以直接监测电流 检测电阻器上的压降,如图 3 所示。

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除了能够直接测量电流流过时分流电阻器上产生的电压,INA226 还可以测量共模电压。INA226 具有一个 输入多路复用器,使 ADC 输入电路能够在差分分流 电压测量和单端总线电压测量之间进行切换。 您可以将系统中存在的电流检测电阻器值编程到 INA226 的配置寄存器中。根据该电流检测电阻器值和测量的分流电压,片上计算将分流电压重新转换成电流,并且可以直接读出系统的相应功率水平。在片上执行这些计算可减少转换该信息 通常需要的处理器资源。

备选器件建议

对于具有更高性能要求的应用,INA190可提供更小的输入失调电压以及更佳的漂移和增益误差性能。 对于性能要求较低的应用,INA199 仍然具有专用电流检测放大器的优势。 对于实现过流检测的应用,INA301 采用了集成比较器, 可实现用时短至 1μs 的片上过流检测。 对于性能要求较低的应用,INA219使您能够利用专用的电流检测ADC。

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集成电流检测电阻器

电流是评估和诊断电子系统运行效能最为常用的信号之 一。由于直接测量该信号非常具有挑战性,因此转而使用各类传感器来测量由于电流流经整个系统而产生的相应效应。

电阻是检测系统中流经的电流最为常用的感测元件。将电阻器(称为分流器)与电流路径串联之后,当电流流经该电阻器时,会在该电阻器上产生差分电压。 用于监测电流信号的一种常见信号链配置包括模拟前 端 (AFE)、 模数转换器 (ADC) 和系统控制器,如图 1 所示。AFE (例如运算放大器或专用电流检测放大器)将分流电阻 器上产生的小差分电压转换为较大的输出电压,由 ADC 将该输出电压数字化,然后将相关信息发送至控制器。 系统控制器使用该电流信息来优化系统的运行性能,或 在发生超出范围的情况时通过减少功能来避免发生有害工况。

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适当的电阻值选择对于优化信号链路径至关重要。电阻值以及分流电阻两端对应产生的电压会导致系统发 生功率损耗。为限制功率损耗,最好将分流电阻降至最低。

电阻器值与产生的信号成正比,并发送到电流检测放大器。 放大器具有与其关联的固定固有误差(例如输入失调电压),可影响测量精度。这些内部误差对于总体测量精 度的影响随着输入信号的增大而降低。当输入信号下降时,相应的测量误差随之增大。信号电平和可接受的测 量精度之间的这种关系通常为电流检测电阻器选择提供较低的限制。全新根据应用针对该组件的可接受功率损耗来限制电流检测电阻器的上限值。

使用电阻器进行电流测量的一个好处是可以使用精确的元件, 从而提供高精度且温度稳定的测量。精密电流检测放大 器的测量功能针对连接极小信号进行了优化,以满足使用低值电阻器和低功率损耗要求。当电阻器的欧姆值降低至 10 毫欧以下时,电阻器会有两种趋势。 这部分电阻器的一种趋势是封装可用性和电阻器值都会降低。

另一种趋势是使用精密低温度系数组件的成本增加。如果使用温度系数较低的低欧姆值电流检测电阻器,同时 兼顾精度容差水平(约 0。1%),那么解决方案的成本在未计入精密放大器相关成本的情况下便高达数美元。 INA250(如图 2 中所示)或 INA253 等组件有助于减 少为需要精确且温度稳定测量的应用选择这些精度更高、成本更高的电阻器所面临的挑战。该器件将精密、 零漂移电压输出电流检测放大器与 2mΩ 集成电流检测电阻器相结合,可以在该器件 -40°C 至 +125°C 的 完整工作温度范围内实现 0。1% 的最大容差和 15ppm /°C 的温度漂移。该器件可以承受高达 15A 的流经板 载电阻器的连续电流。

除了该器件内部的集成精密电阻器之外,INA250 和 IN A253 还解决了实现电流检测解决方案过程中最为常见的问题之一。低欧姆值分流电阻器可降低电流检测功率 耗散。适应这种低电阻值所面临的一项挑战是寄生电阻对印刷电路板 (PCB) 的潜在影响。在电流流经电阻产生分压电压的同时,与分流电阻串联的寄生电 阻会引发附加测量误差。糟糕的布局技术是这些测量误差的最常见来源。

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需要使用开尔文连接(也称四端子连接或强制检测)来确保最大限度地降低额外产生的电阻,进而改变在放大 器的输入引脚之间产生的差分电压。可以采用 PCB 布 局技术来降低寄生电阻影响;不过,如果采用 INA250 或 INA253,就无需为此担忧。

如前所述,典型的电流检测信号链路径包括电流检测 电阻器、模拟前端、ADC 和系统控制器。INA250 将分流电阻器和电流检测放大器组合 时域。INA260 将电流检测电阻器、测量前端和 ADC组合到一个器件中。

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将精密低漂移电流检测与这些精密电流检测器件配对使 用,可实现采用分立式放大器和电阻器组合难以实现的 测量解决方案。少数电流检测电阻器目录产品能够实现精密且温度稳定的测量,但以与薄型小外形尺寸封装 (TSSOP)-16 集成解决方案相当的解决方案尺寸实现该精度水平是不可能的。

图 3 显示 INA260 采用相同的精密集成检测电阻 器,搭配使用针对电流检测应用进行了优化的 16 位精密 ADC。 这种组合可实现 优于 INA250 的测量性能,在整个温度范围内的最大测量增益误差为 0.5%,最大输入失调电流为 5mA。

备选器件建议

对于电流要求比集成解决方案支持的电流更低且性能更低的应用,请使用 INA210 独立电流检测放大器。 对于需要独立数字电源监控器的应用,请使用 INA226。 对于实现过流检测的应用,INA301 采用了集成比较器, 可实现时间短至 1μs 的片上过流检测。

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集成式电流检测模数转换器

在不同的系统中,用来测量电流的信号链路径通常都是一致的。无论是在计算机、汽车还是电机中测量电流, 几乎所有设备都具有相同的功能块。连接光、温度(或本例中的电流)等现实世界元素需要使用传感器,以便将信号转换为更易于测量的比例值(电压或电流)。

多种传感器都使用磁场感应来检测电流效应。这些传感器对于检测很大的电流或在需要进行隔离式测量时非常有效。 测量电流时最常用的传感器是电流检测或分流电阻器。 将该组件与被测量的电流串联放置后, 会在电流通过电阻器时产生成比例的差分电压。

信号路径中其余块的选择基于系统将如何使用该测量电流信息。对于大多数应用而言,有多个块是相同的,如 图 1 所示。这些块包括用于放大传感器小信号的模拟前端 (AFE)、用于数字化处理传感器放大信号的模数转 换器 (ADC) 以及用于分析传感器信息的处理器,以便系统可以相应 地响应测量的电流水平。

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对AFE的一项要求是允许直接连接到在检测电阻器上形成的差分信号。AFE 的单端输出 可简化连接到后续 ADC 的接口。差分放大器配置中的运算放大器通常便是用于满足该功能要求。专用电流检测放大器(例如 INA210)采用了集成增益设置组件, 专为该类型的应用而设计。INA210 能够准确测量很小的信号,从而降低对检测电阻器的功率耗散要求。

下一个信号链块是ADC,它用于将放大的传感器信号数字化。该器件可能需要额外的外部组件(基准、振 荡器)以实现更精确的测量功能。与AFE类似,ADC块也具有各种选项。您可以选择独立转换器搭配板载基准和振荡器的实施方式,也可以选择采用板载 ADC 通道的处理器。

集成式和分立式ADC块各有优势和限制。由于ADC集成到处理器中,因此一项明显的优势是组件更少。板载ADC通道的现有指令集进一步降低了对用于支持独立 ADC的额外软件的要求。不过,数字控制器的硅工艺节点通常针对精密模拟的优化程度较低,这限制了板载转换器的性能。分立式模数转换器的一项优势就是,允许根据优化的性能属性(如分辨率、噪声或转换速度) 来选择器件。

该信号链有一种变体,即使用 ADC 直接在电流检测电阻器上进行测量,从而完全无需电流检测放大器。标准转换器将会在取代AFE并直接测量分流电压方面面临挑战。其中一个挑战便是 ADC 的大型满标量程。

如果不对检测电阻器的压降进行放大,则无法充分利用ADC的满量程,或者需要在电阻器上产生较大的压降。较大的压降将导致检测电阻器上产生较大的功率耗散。有些ADC具有经修改的输入范围,旨在直接测量较小的信号,从而可以直接测量分流电压。这些器件中通常集成了内部可编程增益放大器 (PGA),以利用 ADC 的满量程。

这些小信号转换器的一个限制是它们的共模输入电压范围有限。这些ADC的输入电压范围受到其电源电压(通常为 3V 至 5.5V)的限制,具体取决于所支持的核心处理器电压。INA226(如图 2 所示)是特定于电流检测的 ADC,可解决该共模限制问题。该器件具有 16 位 Δ-Σ 内核,可监测高达 36V 的共模电压轨上的小差分分流电压,同时由范围为 2.7V 至 5.5V 的电源电压进行供电。

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INA226 与 ADC 类似(具有经修改的小输入范围), 具有大约 80mV 的满量程输入范围,使器件能够直接 在电流检测电阻器上进行测量。INA226 能够通过 2.5 μV 的最低有效位 (LSB) 步长和 10μV 的最大输入失调电压非常准确地解析小电流变化。0.1μV/°C 的失调漂移可确保较高的测量精度,在高达 125°C 的温度下,仅额外产生12.5μV 的失调。凭借 0.1% 的最大增益误差,还能在满量程信 号水平保持较高的测量精度。

尽管 INA226 能够精确测量小分流电压,但该器件还具有可用于电流检测应用的附加功能。该器件具有一个内部寄存器,用户可以使用印刷电路板 (PCB) 上的电流检测电阻器的特定值对其进行编程。通过获知电流检测电阻器值,INA226 可以在每次转换时直接将测量的分流电压转换为相应的电流值,并将其存储到附加的输出寄存器中。

INA226 还具有一个内部多路复用器:该器件可以从差分输入测量切换到单端电压配置,从而可以直接测量共模电压。利用电压测量以及之前测量的分流电压和相应的电流计算结果,该器件能够计算功率。该器件存储此功率计算结果,并通过双线串行总线向处理器提供该值以 及分流电压、电流和共模电压信息。

除了片上电流和功率计算之外,INA226 还具有一个可编程警报寄存器,该寄存器可以将每个转换值与定义的限 值进行比较,以确定是否发生了超出范围的情况。 可以对该警报监视器进行配置,以测量超出范围的情况(如过流、过压或过功率)。

该器件还具有可编程信号取平均值功能,以进一步提高测量精度。INA226 经过优化,支持精密电流测量。器件中包含的其他功能可以支持必需的信号管理和监测,并减轻系统处理器的负担。

备选器件建议

对于性能要求较低的应用,INA230 仍可以利用专用电 流检测模数转换器的优点。 对于测量的电流低于 15A 的附加精密测量功能,INA260 可提供与 INA226 类似的功能,同时还在封装中采用了精密 2mΩ 集成电流检测电阻器。

对于需要高得多的共模电压功能的应用,AMC1305 可提 供 板载隔离,能够支持高达 1。5kV 的直流工作电压并处理 高达 7kV 的峰值瞬态。对于 AFE 性能要求较低的应用,INA210 仍可以利用专用电流检测放大器的优点。

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关键词: 放大器 概述

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