高边电流检测测量:电路和原理

电流测量(即检测流出电子电路的电流)是设计师必备的技能，也是各种应用中必不可少的。应用示例包括过流保护和4–20mA系统、电池充电器、高亮度LED控制、GSM基站电源、H桥式电机控制，您必须知道流入和流出可充电电池的电流比（即电量计功能）。

随着越来越多的便携式应用，对专用电流监测器的需求大大增加，以实现小包装和低静态电流的任务。以下讨论包括低边和高边电流监测器，包括其架构和应用。

采用高边还是低边监测器？

大部分电流测量采用低边原理，检测电阻与接地通道串联(图1)；或采用高边原理，检测电阻与电源线串联(图2)。两种方法都有不同的优缺点。低边电阻在接地通道中增加了不必要的额外阻抗；高边电阻电路必须承受相对较大的共模信号。另外，如果把它放在图1中，GND引脚以RSENSE以正端为基准，其共模输入范围必须覆盖零以下，即GND - (RSENSE× ILOAD)。

图1. 低边电流监测器原理。

图2. 高边电流监测器示例。

但由于低边测量电路的简单性，不要忽视高边测量方法的优点。多种故障会避开低边监测器，从而使负载面临危险和未检测到的情形(图3)。请注意，通过路径A连接的负载可以检测到，但通过路径B的意外连接可以避免监测器。另一方面，高边监测器直接连接到电源，可以检测所有下行故障，触发相应的补救措施。高边监测器也更适合汽车应用，外壳作为地电势。

图3. 如果负载意外接地，路B会产生危险的高电流。

传统的高边监测器

过去，这两种方案的许多实现方法都是基于分立元件或半分立电路。在最简单的情况下，这种高边监测器需要高精度释放和少数精密电阻。高边测量的一种常见方法是使用传统的差分放大器作为增益放大器和从高边到地的电平转换器（图4）。虽然这种分立电路被广泛使用，但它有以下三个主要缺点：

• 输入电阻(等于R1)相对较低。
• 输入阻抗通常表现出较大的偏差。
• 电阻必须良好匹配，以获得可接受的共模抑制比(CMRR)：0.01%的电阻值偏差将是CMRR降低至86dB，0.11%的偏差将其降低到66%dB，将偏差降低到46%dB。

高边电流监测的需求推动了大量用于这一目的的新集成电路的发展。另一方面，低边测量并没有促进新型的相关性IC的进步。

图4. 差分放大器是高边电流测量电路是差分放大器。

集成全差分放大器

包含大量高精度放大器和精密匹配电阻的电阻IC在高边电流测量中使用差分放大器非常方便。这些设备CMRR达到105dB数量级，MAX4198/MAX4199是例子之一(图5)。IC采用8引脚μMAX封装，典型CMRR达到110dB，增长误差优于0.01%。

图5. 集成差分放大器(MAX4198/MAX4199)很高CMRR。

专用高边监测器

另一种高边电流测量方法包括所需的所有功能IC代表IC在高达32V在共模电压下检测高边电流，并提供基于地面的电流或电压输出，输出与被测电流成比例。这些专用电流检测放大器受益于电源管理、电池充电等必须高精度测量或控制电流的应用。

Maxim高边电路检测放大器将电流检测电阻放在电源正端和被监测电路电源输入之间。该设计避免了接地区域的外部电阻，大大简化了布局，通常提高了整体电路性能。Maxim单向和双向电流检测IC包括带有或没有内部检测电阻的双向设备。双向放大器包括指示电流方向的信号引脚。

这些单向和双向电流检测IC该型号包括可调增益， 20V/V、 50V/V或 100V/V固定内部增益，以及内部增益单或双比较器。设备采用小型包装，满足紧凑型应用的严格要求。

所有Maxim高边IC共同之处在于，它供电压或电流输出作为参考，不需要或只需要少量的附加元件。输出信号与测量的高边缘电流成比例，其共模电压高达32V。图6-9显示了集成高边电流监测器的几种架构。请注意，MAX4172电流源输出RSENSE上部电压成比例。

新型高边监测器的方程表明，外部电阻对CMRR影响不再是问题，因为现在MRR(典型值大于90dB)主要取决于集成放大器。IC集成电流检测功能具有以下优点：

• 严格限制有源和无源集成器件
• 温度系数优异(TC)
• 小尺寸
• 低功耗
• 易用性

图6. 双向高边电流监测器简化原理图(MAX9928/MAX9929)，带有表示电流方向的SIGN输出。

图7. 单向高边电流监测器(MAX4372)。

图8. 另一种单向高边电流监测器(MAX4172)。

图9. 单向高边电流监测器的另一种架构(MAX4173)。

选择RSENSE相关考虑事项

在设计任何类型的电流监测器时，仔细选择检流电阻(RSENSE)这是非常重要和必要的。选择应遵循以下标准RSENSE：

• 电压损耗：高RSENSE值导致电源电压通过IR减少损失。最低的RSENSE电压损耗最小。
• 精度：高RSENSE由于其电压失调和输入偏置电流失调远小于检测电压，因此可以高精度测量低电流。
• 效率和功耗：大电流时，RSENSE中的I2R损耗较大，因此在选择电阻值和功耗额定值(瓦特)时应考虑。检测电阻温度过高也会导致电阻值漂移。
• 电感：如果ISENSE高频成分较大，RSENSE必须有低电感。绕线片电阻电感最高，金属膜电阻稍好，但建议低电感金属膜电阻(1.5Ω以下可用)。低电感金属薄膜电阻不同于金属薄膜和绕线片电阻(即螺旋缠绕在核心上)，由直金属条组成。
• 成本：对于RSENSE严格的应用成本要求可以PCB布线作为检测电阻（图10）。由于铜电阻的精度较低，需要使用电位计来调整满电流。对于温度变化范围较广的系统，铜电阻温度系数相当高（约0.4%/°C)。

图10. 高边电流监测器(MAX4172)采用PCB走线作为RSENSE.

应用高边监测器

图11所示的电路是可变线性电流源。IC1将R1电流转换为成比例输出电压，使电压调节器(IC2)产生稳压输出电流。为将IOUT设置为0mA至500mA调节电流之间，在ICONTROL上施加5V至0V电压(5V设置IOUT= 0mA，0V设置IOUT= 500mA)。作为替代方案，您可以添加如图所示D/A转换器，对IOUT数字控制。12位分辨率(60μA/LSB)，DAC并行输入MAX530或串行输入MAX531；10位分辨率(250μA/LSB)，DAC并行输入MAX503或串联行入MAX504。

图11. 可变线性电流源(MAX603)。

图12所示电路为0–5A使用4个可编程电流源V至28V电源产生0A至5A电流有两个优点:12位D/A转换器使其能够进行数字编程；开关模式降压调节器(IC1)使其比使用线性晶体管替代电流源更有效。应用包括过流保护，4–20mA系统、电池充电器、高亮度LED控制、GSM基站电源和H桥电机控制。

图12. 0–5A可编程电流源(MAX4173)。

通用串行总线(USB)广泛的应用推动了各种2.7V至5.5V电源过流保护电路的发展，但很少有产品高于电压范围。图13中显示的短路器在26号工作V可编程电流门限用于触发电源电压。

图13.高压短路器(MAX4172)提供高达26V的保护。