• High-Side Current Sensing: Difference Amplifier vs. Current-Sense Amplifier
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§01 高端电流检测

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??在在许多功率电子系统中，需要检测电源正极输出电流(也称高端电流检测)High-Side Current Sensing），例如，电机控制、线圈驱动和电源管理 DC-DC转换、电池检测等)。在这些应用中，正极(高端)而非负极(即电流返回端)的电流检测可以提高电流检测性能。例如，对地短路电流和续流二极管中的电流可以确定。在电源负端使用分流器获取电源电流可能会导致地线电位不一致。下面图1， 图2 显示了高端检测电机和电磁线圈电流的电路配置。

^{▲ 图1 电磁线圈驱动电路中的高端电流检测}

^{▲ 图2 H-桥式电机驱动电路高端电流检测电路}

^{▲ 图3 三相电机驱动高端电流检测}

??如果使用上述三个电流检测应用程序PWM电流检测电阻上的共模电压的摆动范围为0V电池电压。这种PWM输入信号是电路中功率场效应管产生的周期性、高频、快速上升和下降的特性。因此，用于高端电流分流器信号处理的操作放大器需要具有共模抑制能力强、增益高、精度高、(电压、电流)偏置低等特点。

??在图1所示的电磁线圈驱动电路中，MOS现场效应管驱动线圈的电流总是从上到下流动，因此单向电流检测可以满足要求。但在图2和图3所示的电机驱动电路中，电流是双向的，因此电路需要处理正负电流信号。

??设计师会发现，许多半导体公司提供大高端电流检测提供了不同的芯片。值得注意的一个重要现象是所有可选的电流检测IC芯片可分为两类：一类放大芯片的电流检测，另外一类是 放大芯片的差异 。

??在这里，我们将指出和解释上述两种信号处理芯片的主要区别，并帮助电子工程师在面对应用程序需求时选择最合适的高端电流检测方案。以下是双向差高压操作放大器 AD8206 双向电流检测放大器 AD8210 例如，进行比较。这两款车型的外管脚相同，可用于高端电流检测，但性能和内部结构不同。所以问题来了，在实际应用中选择哪种方案？ 。

§02 工作基本原理

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??图4给出了AD8206集成高电压差分放大器，可以最高承受65V功波电压。芯片输入端使用 16.7:1 反压电阻限制运输共模电压A1输入电压范围内。不幸的是，输入分压电阻也会等比衰减差分信号，因此通过A1、A2两级提供的 344V/V 可获得电压增益 20V/V 整体电压放大倍数。

^{▲ 图4 AD8206简化原理图}

??为了实现双向电流检测，可以使用低电阻参考电压源AD输出放大器8206A2正输入端设置正参考电压。当共模电压为负时，芯片甚至可以继续放大电流分流电阻上的电压信号。

??下图(图5)给出了最近刚刚推出的高压电流传感器放大电路AD8210，它的功能与AD8206 管脚定义相似，但其工作原理不同，技术指标也不同。

^{▲ 图5 AD8210内部功能图}

??最大的区别在于AD8210的输入不使用衰减电阻网来降低高功波电压，而是使用它的输入端 XFCB IC生产工艺产生的高压三极管对应V_CE可以高达65V，从而能承受高达655的高达V公模输入电压。

??AD8210以放大小电流差信号的方式参考图5。芯片上的第一个放大器A1正负两端分别通过R1、R2连接到电流采样电阻的两端，A通过控制三极管Q1，Q2导电流抵消正负输入端的电压。Q1，Q2的导通电流在内部精确匹配的电阻上产生比例电压(没有共模电压)，通过放大器A2放大输出。A2由 5V输出电压与输入差电压的比例为 20:1 。

??AD输入10电流放大器于8210电流放大器的电路结构 2V 或者 3V ，不小于0AD8210内部通过内置上拉电阻提升A1输入电压，使输入共模电压低至 -2V 。

§03 两芯片的差异

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??很显然，电流传感放大器（AD8210（AD8206)工作机制存在明显差异。前者将输入差分信号转换为不同的地面电流，然后将芯片内的电阻转换为没有共模电压的差分信号。芯片主要依靠高压半导体工艺来抵抗共模高压。后者通过输入衰减电阻网络统一衰减信号，然后利用差分放大放大输入信号中的差分信号，芯片依靠电阻网络衰减共模高压。

??虽然它们的主要性能指标已经在两个芯片的数据手册中解释过，但芯片数据手册中不能立即看到一些基于内部结构差异的差异。以下是帮助设计最佳解决方案的关键点。

1.放大器带宽

??由于输入信号的衰减，通常只有电流传感器放大器对带宽的频率响应 五分之一 左右。尽管如此，这两个芯片的带宽仍然可以满足大多数应用程序的需求。

??例如，电磁铁驱动通常需要超过20个kHz的PWM考虑到噪声对电流信号放大带宽的要求大于20kHz。电磁铁控制往往侧重于平均电流的稳定性，因此对信号带宽的要求不高。但在电机控制中的电流采样中，特别是对PWM当信号控制下的电流顺时收集时，需要更高的电流放大带宽。此时，需要考虑使用电流传感放大器（AD8210）替代AD它可以输出电流信号更准确的电流波形。

^{▲ 电流波形与AD8206输出的电压波形}

2、共模抑制比

  对于共模电压的抑制性能方面，电流放大器可以提供更高的共模电压抑制（CMR：Common-Mode Rejection）性能。比如AD8210，通过内部精确匹配的高压三极管，可以提供高达 100-dB 的CMR。依赖于衰减电阻网络的AD8206，由于只能做到0.01%的精度，因此它的的CMR为 80-dB 左右。

3、外部滤波网络影响

  为了抑制电流噪声，往外在放大电路输入端增加RC低通滤波器。比如下图中，就使用了Rf,Cf组成了电流信号的低通滤波器。

^{▲ 图6 输入滤波网络}

  对于差模放大器，它的输入电阻阻抗大于100kΩ。比如AD8206它的输入电阻为200kΩ，如果外部电流滤波电阻Rf为200欧姆，所产生的增益误差大约为 0.1%。如果两个低通滤波器电阻Rf之间的匹配误差也在1%左右，那么所产生的CMR影响大约 -94-dB ，不会对器件本身所具有的 80-dB 造成很大的 影响。

  但是对于的电流传感方式的放大器，它具有很高的公模输入电阻。但为了将输入差分电压转换成差分电流，则放大器的输入电阻Rin则只有5kΩ左右。比如AD8210它的Rin为3.5k欧姆。由此外部低通滤波器所带来的增益误差则高达 5.4% ！同时，CMR也降低到 59-dB 。

  所以在采用电流放大器时，对于外部低通滤波网络参数需要特别考虑，比如滤波电阻最好小于10欧姆。

4、输入过载

  在偶然情况下，如果负载出现了过压、过流，这样就会在电流传感放大器AD8210两端造成极大的差分电压，从而可以引起芯片的损坏。对于采用差分放大的AD8206来说，对于负载面临的过流、过压则会有更宽的承受范围，并不容易引起芯片的崩溃。

5、反向电压保护

  在有些情况下，可能出现设备电源电压接反，这样就会在电流放大器两端产生复制非常高的负共模电压。具有分压电阻网络输入的差分放大器（AD8206）对于这种偶然出现的负共模电压有很强的的忍受能力，但对于AD8210则情况大为不妙了。由于它的输入Rin阻值相对较小，大的负共模电压就会使得芯片中的ESD二极管导通，从而引起内部电路损坏。

6、输入偏置电流

  在一些低功耗应用电路中，需要考虑芯片的静态工作电流。对于AD8206它的输入电阻网络即使在芯片不供电的情况下，电阻网络依然消耗高端电源电流。对应的AD8210，则会在电路掉电之后，也将内部的晶体管电路关闭，所以几乎不再消耗任何电源电流了。因此，在电池供电的低功耗应用中，AD8210可能会更合适一些。

 

§04 电流检测方案总结

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  在电动车、通讯、消费类产品以及工业应用中，高端电流检测被广泛应用。基于差分电压放大的检测与基于电流检测放大两个检测方案可以在设计中被采用。虽然这些IC在功能和管脚定义上相同，但面临采集精度、系统可靠性方面要求高的时候，则需要根据两者方案内部机理不同考虑选择合适的电流检测方案。下面表格中给出了这两种方案的对比。

【表格1 对比电流放大与差分放大方案】

Features	Current-Sense Amplifiers	Difference Amplifiers
Speed is Ideal for Monitoring…	Instantaneous current	Average current
Input CMR (DC)	>100 dB	About 80 dB
Input CMR (PWM)	About 80 dB	About 80 dB
“Off” Input Bias-Current Consumption	Very low	Continuous leakage in input resistance divider
External Filtering	Primarily “post”	“Pre” or “post”
Input Stress Susceptibility	External stresses need careful consideration	Typically robust