- 两种电流检测电路
在电路设计中,使用最广泛的电流采样方法是在电流回路中串联高精度的电阻,通过测量电阻两端的电压计算回路的电流值大小。具体检测方法有如下两种:
图1 高侧电流检测
如图1,高侧电流检测,Rsense放在电源端。
优点:不影响负载的接地。
缺点:运放需要承受较大的输入电压,来完成小电压信号的放大。
图2 低侧电流检测
如图2所示,低侧电流检测,Rsense两端一端接地。
优点:运放不会承担高电压问题。
缺点:这种情况下,负载的地就被抬升且不稳定,可能会影响负载的正常工作。虽然采样电阻阻值很小,GND的抬升可能只有数个mv,但采样电阻的温漂会造成其两端电压的变化,进而造成负载的地不稳定。当负载对地的要求较高,使用低侧电流检测是不合适的。
综上两种情况,除非特别高压的场合,会有电压的尖峰和浪涌,选高侧电流检测更合适,只需要选一个能承受高输入电压的运放即可。对于特殊负载(对地要求不高)可以选择低端的电流检测,比如帕尔帖。
无论高侧电流还是低侧电流采样,采样电阻的阻值,通常选得很低,来减小对负载的影响。这样采样电阻两端的电压也会很小,就不得不使用运放将电压进行放大。
那么,为了提高测量精度,应该如何选择运放?
Vos 要尽量小:这是对于电流检测用的运放的最重要的要求。见图3,Vos的等效图。采样电阻两侧电压Vsense 本身较小,一般为了减小采样电阻的发热量,控制在几个mv。如果选择的运放不理想,Vos会消耗一部分电压,导致测量结果不准确。
图3 Vos等效电路
运放的带宽、高共模抑制比(CMRR)、 低失调漂移(Drift)、 低偏置电流(Ibias)也是需要关注的。
差分放大可以直接采样Rsense 两端电阻,可以排除共模干扰。如果使用单端放大,Rsense只有一端接入运放,另一端要接地。如果接地线过长,也会造成不预期的寄生电阻。所以,尽量选择差分放大。(图示的Rshunt 即为Rsense)
图 4 单端放大电路示意
图 5差分放大电路示意
考虑到电阻损耗的影响,通常采用小于1欧姆的电阻。我们不仅要考虑电阻本身的阻值、封装、精度、功率、温漂,还要考虑其他方法来提高测试精度。
这种场景下,开尔文接法能够提高采样精度。
误差源是与检测电阻串联的焊接电阻。如下图所示
图 6 一般layout图示
在该图中,负载电流沿红色箭头方向从左向右流动。垂直走线将分流电阻器连接到放大器输入(In+ 和 In-)。因此,放大器会检测 A 点和 B 点之间的电压差。检测电阻的实际值将为 Rshunt+2Rsolder。焊接电阻可以在几百微欧的范围内。
尤其是在使用小分流电阻器时,该误差变得显著。为了解决这个问题,放大器输入应直接连接到分流电阻而不是载流走线。如下图是优化后的PCB布局图。
图 7 开尔文连接图示
在这种情况下,有两对PCB焊盘:一对用于将Rshunt连接到负载,另一对用于将Rshunt连接到放大器输入。在大电流应用中,放大器消耗的电流(Iamp)远小于Iload。因此上述布局可以减少阻焊电阻造成的误差。
为了更好地理解这种技术,让我们比较两种情况下的感测电压。对于图 6 所示的布局,检测到的电压为:
由于Iamp比Iload小得多,我们有
-公式1
这给出了2Rsolder1*Iload的误差电压。图 7 中的电路图如下所示:
图 8 开尔文连接等效连接电路图
请注意,电流 Iload 无需通过 Rsolder2 即可返回其源。测得的电压为:
在这种情况下,误差为 2Rsolder2*Iamp,它远小于公式 1,因为Iamp远小于 Iload。这种电路结构我们通常称为开尔文接法,这种接法在很多领域中得到使用,开尔文接法能使我们准确测量阻抗。图9显示了采用Kelvin传感技术的其他一些PCB布局。
图 9 一些开尔文连接实例
1)根据实际情况来选择高侧电流检测还是低侧电流检测
2)提高检测精度需要选择合适的运放
3)选择差分放大而不是单端放大
4)采样电阻要使用开尔文连接