電流量測的基礎知識:第 2 篇 – 電流感測放大器

作者:Steve Leibson

資料提供者:Digi-Key 北美編輯群

編者說明:此系列文章分為兩篇,第 1 篇探討電流感測電阻的細微差異。第 2 篇 (本文) 則探討放大器的設計與使用,將通過放大器的電壓提升到可用程度。

電流感測電阻又稱作分流器,是用來測量電流的首選技術。為了避免對電流造成負面影響,電流感測電阻值相當小,因此通過電阻後,按比例所產生的電壓相對較小。因此,設計人員必須利用電路將此微弱電壓放大,以便類比轉數位轉換器 (ADC) 進行向上轉換。

分流器電阻兩端的微弱電壓通常必須從數十或數百毫伏提升至十分之幾伏特或數伏特。此作業通常由運算放大器或電流感測放大器執行。電流感測放大器是專用的運算放大器,額外增添雷射修整的精密電阻網路,再融入到裝置中以設定增益值。通常放大器電壓增益值介於 20 至 60 的級數,有時甚至更大。

電流感測放大器可選擇是否在同一封裝內納入電流分流電阻。在高功率應用中,因為功率耗散會產生熱量,因而偏好採用外接分流電阻。

最常見的電流監測訊號鏈配置,含有分流電阻、類比前端 (AFE)、類比數位轉換器以及系統控制器 (圖 1)。諸如運算放大器或專屬電流感測放大器的 AFE,會將通過分流電阻而產生的微弱差動電壓,轉換成 ADC 可用的電壓。

用電流分流電阻測量電流的示意圖

圖 1:測量電流最簡單的方式就是使用電流分流電阻 (最左邊),在此電阻兩端會產生與通過電流成正比的電壓。AFE 會針對通過分流電阻產生的低電壓進行放大,充分利用 ADC 的量測範圍。(圖片來源:Texas Instruments)

有兩種基本方式可將分流電阻接至電路,以便進行低側與高側的電流量測。兩者各有優缺點。

低側電流量測

進行低側電流量測時,電流分流電阻會放在主動負載與接地之間。圖 2 顯示最適合進行低側電流量測的電路。此電路選擇 Texas Instruments 的 INA181 電流感測放大器,但仍有其他多種放大器可用於低側量測。

採用 Texas Instruments INA181 的低側電流量測電路圖

圖 2:採用 Texas Instruments INA181 的低側電流量測電路將電流感測電阻放在主動負載與接地之間。(圖片來源:Texas Instruments)

因為電流分流電阻兩端的感測電壓有接地參考,因此低側電流量測的實作相當容易。由於感測到的電壓只比接地參考電壓高出幾 mV,因而此種配置可讓電流感測放大器成為低電壓零件。在這種配置中,感測電壓不需要更高的電壓,因此無需共模拒斥。低側量測的實作方法最簡單、成本也最低。

低側電流量測的缺點在於負載因為分流電阻的放置位置,而不再有接地參考,因此負載的低側比接地電壓高出幾 mV。

如果負載與接地間出現短路,沒有接地參考可能會造成問題。舉例而言,如果金屬封閉式負載 (如馬達) 與接地參考外殼具有繞組短路,就可能發生此類短路情況。電流感測電阻可能無法偵測出此類短路。

另外,放大器的共模輸入電壓必須包含接地,才可進行低側量測。對於以正負電源供應器操作的放大器而言,這通常不構成問題,但若使用單一電源供應器操作,則可能造成問題。因此,選擇適當的放大器進行低側量測時,共模電壓範圍是否包含接地成為一項重要的考量因素。

進行低側電流量測時,還得考慮一個重要層面。請注意圖 2 中,Texas Instruments 的 ADS114 ADC 是直接進行接地參考,而且 ADC 的低側輸入節點緊鄰 INA181 電流感測放大器的輸入接地參考接點。

若使用微弱電壓 (通過高負載電流的低電阻值分流電阻產生) 進行電流感測,請務必記住,並非所有接地的電位皆相同。當接地網路或接地面承載許多與電源應用相關的高電流時,很容易在系統的一個接地點與另一個接地點之間,產生數 mV 的差動電壓。預防的方法就是務必將相關的接地參考緊密相連,以便將接地參考之間的電壓差減至最小。

為了徹底剷除此類錯誤,ADC 的接地參考引腳必須緊鄰電流感測電阻的低側,以及電流感測放大器的低側輸入。連接點不能只是為了圖方便而位於接地面的任意部分。為了達到雙重確保的效果,請直接在線路圖上記下此要求,並以星狀連線表示接地參考,以凸顯此點。

同樣地,若電流感測電阻兩端間產生的電壓較小,電流感測放大器的輸入偏移電壓,會對放大準確度有不成比例的影響。有鑑於此,最好選擇輸入偏移電壓非常低的放大器。上方圖 2 顯示的 INA181 放大器,在無共模電壓時,其低側量測配置下的輸入偏移電壓為 ±150 µV。

雖然有這幾個缺點,但如果負載不須接地參考,而且負載與接地間的內部短路不成問題,或無需由電流測量電路進行感測,則低側電流量測配置是不錯的選擇。

然而,對於必須滿足功能性安全需求的設計來說,高側電流量測技術是比較好的選擇。

高側電流量測

高側電流量測方法,會將電流分流電阻插入電源與主動負載之間,如圖 3 所示,並採用 Texas Instruments 的 INA240 電流感測放大器當作 AFE。此元件的共模輸入電壓可以遠遠超過其供應電壓,因此是進行高側電流量測的良好選擇。

採用 Texas Instruments INA240 的高側電流量測電路圖

圖 3:高側電流量測電路將電流感測電阻放在電源與主動負載之間。(圖片來源:Texas Instruments)

與低側量測相比,高側電流量測有兩項關鍵優點。第一,源自負載內部至接地的短路可輕鬆偵測,因為產生的短路電流會流經電流分流電阻,並在兩端之間產生電壓。第二,這種量測技術並未參考接地,因此流經接地面的高電流所產生的接地差動電壓,不會影響量測結果。即便如此,最好還是謹慎地將 ADC 接地參考接點放在靠近放大器的接地位置。

高側電流量測技術有一個主要缺點。如先前所述,電流感測放大器必須有高共模拒斥,因為在電流分流器兩端間產生的小量電壓,僅比負載供應電壓稍微低一點。此共模電壓可能相當大,視系統設計而定。圖 3 的 INA240 電流感測放大器具有寬廣的共模電壓範圍,介於 -4 V 至 80 V 之間。

是否使用整合式增益電阻?

圖 2 與圖 3 顯示低側與高側電流量測的配置,兩者都配備具有整合式增益設定電阻的電流感測放大器。這些整合式電阻提供許多設計上的優勢,包括設計簡化、板元件減少,以及雷射修整的增益準確度。使用此類放大器的一大缺點是,增益值在工廠就已經設定完成,無法再改變。如果該增益設定適合指定應用,就不成問題。然而,如果分流電阻為了滿足其他條件而選用了其他電阻值,導致應用需要獨特的增益值,則將運算放大器與離散電阻結合使用,是比較好的作法。

圖 4 顯示高側電流量測使用的電流感測放大器電路,此電路採用 Microchip TechnologyMCP6H01 運算放大器與離散增益設定電阻為基礎。

使用離散電阻與運算放大器進行高側電流量測的配置圖

圖 4:使用離散電阻與運算放大器進行高側電流量測的配置。(圖片來源:Microchip Technology)

在此電路中,放大器增益值設為 R2 除以 R1 的比值。也請留意,R1* = R1,R2* = R2,而且電流分流電阻 RSEN 必須遠小於 R1 或 R2。這通常不是問題,因為電流分流電阻值通常只有數毫歐姆,在超高電流應用中甚至只有幾分之一毫歐姆。

圖 4 的方程式清楚表示,若與使用內建增益設定電阻的電流感測放大器相比,使用運算放大器與離散電阻的情況,其元件規格要求會稍微嚴格一點。

結論

電流感測放大器會將分流器電阻兩端間所產生的低電壓,轉換成更高的電壓,以便與 ADC 轉換作業更相容。可採用的電流感測量測方式有兩種:低側與高側量測。進行低側量測時,電流感測電阻將插在負載與接地之間;進行高側量測時,電流感測電阻則插在電源供應器與負載之間。低側與高側量測配置各有優缺點,因此需針對指定的應用,審慎選擇並考量周全。

測量電流時,可使用專門打造的電流感測放大器,其增益已透過雷射修整的整合式電阻於出廠前設定完成,或透過適當的運算放大器與離散電阻設定增益。第一種選擇可減少板元件的數量,並簡化 AFE 的設計。然而,如果 AFE 設計需要自訂增益,以因應指定的分流電阻值及 ADC 輸入電壓範圍,則選擇第二個選項會比較好。

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關於作者

Steve Leibson

Steve Leibson 曾任 HP 和 Cadnetix 的系統工程師、EDN 和 Microprocessor Report 的總編輯,以及 Xilinx 和 Cadence 等的科技部落客,也曾在兩集《The Next Wave with Leonard Nimoy》電視節目中擔任技術專家。33 年來,他協助設計工程師開發更優良、更快速且更可靠的系統。

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