§01、高端电流检测

在很多功率电子系统中,需要对于电源正极输出电流进行检测(也称高端电流检测:High-SideCurrentSensing),比如电机控制、线圈驱动、电源管理(像DC-DC转换,电池检测等)。在这些应用中,在电源的正极(高端)而非负极(也就是电流返回端)对电流检测,可以提高电流检测性能。例如可以确定对地短路电流、检测续流二极管中的电流。如果在电源负端使用分流器来获取电源电流可能会造成地线电位的不一致。下面图1,图2显示了使用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2H-桥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

 

在上面三个电流检测应用中,如果使用PWM驱动,那么在电流检测电阻上的共模电压的摆动范围是从0V到电池电压。这种PWM输入信号是一个周期性,高频,快速上升下降的特性,是由电路中功率场效应管所产生的。因此,用于对高端电流分流器进行信号处理的运算放大器需要能够同时具有极强的共模抑制能力、增益高、精确度高、(电压、电流)偏置低的特点。

 

图1所示的电磁线圈驱动电路中,MOS场效应管驱动线圈的电流总是从上往下流动,因此单向电流检测即可满足要求。但在图2,图3所示的电机驱动电路中,电流是双向的,因此需要电路能够处理正负电流信号。

 

设计者会发现现在有很多半导体公司提供了不同用于放大高端电流检测的芯片。其中一个重要值得注意的现象,那就是在所有可备选的电流检测IC芯片里,可以分成两大类别:一类为电流检测放大芯片,另外一类是差分放大芯片

 

这里,我们将会指出和解释上述两类信号处理芯片的主要差别,帮助电子工程师面对应用需求时选择最适合的高端电流检测方案。下面以双向差分高电压运算放大器AD8206[3]与双向电流检测放大器AD8210[4]为例进行对比。这两款运放具有相同的外部管脚,都可以用于高端电流检测,但他们的性能和内部结构却不相同。那么问题来了,在实际应用中究竟选择哪一种方案呢?

 

§02、工作基本原理

图4给出了AD8206集成高电压差分放大器,可以最高承受65V的功波电压。芯片输入端使用了16.7:1的反压电阻将共模电压限制在运放A1的输入电压范围内。可惜,输入分压电阻也将差分信号做了等比例的衰减,因此通过A1、A2两级提供的344V/V的电压增益,可以获得20V/V整体电压放大倍数。

 

▲图4AD8206简化原理图

 

为了实现双向电流检测,可以通过一个低阻参考电压源为AD8206中输出放大器A2的正输入端设置一个正的参考电压。该芯片甚至可以在共模电压为负的时候继续提供对电流分流电阻上的电压信号的放大。

 

下图(图5)给出了最近刚推出的高电压电流传感器放大电路AD8210,它的功能与AD8206相类似,管脚定义都一样,但它的工作原理却不同,也带来了不同的技术指标。

 

▲图5AD8210内部功能图

 

最大的区别在于AD8210的输入并不使用衰减电阻网络来减少高的功波电压,它的输入端使用XFCBIC的制作工艺所产生的高压三极管,对应的VCE可以高达65V,从而可以承受高达65V的公模输入电压。

 

AD8210对于小的电流差分信号进行放大的方式参加图5。芯片上第一放大器A1的正负两端分别通过R1、R2连接到电流采样电阻两端,A1通过控制三极管Q1,Q2导通电流来抵消在正负输入端的电压。Q1,Q2的导通电流在内部精确匹配的电阻上产生成比例的电压(已经没有了共模电压了),经过放大器A2放大输出。A2由+5V供电,输出的电压与输入差分电压的比例为20:1

 

AD8210电流放大器的电路结构中输入结构要求输入信号功波电压需要大于2V或者 3V ,不能小于0。在AD8210内部通过内置的上拉电阻提升A1输入电压,这样就可以使得输入共模电压可以低至-2V

 

§03、两种芯片的差异

很显然,电流传感放大器(AD8210)与差分放大器(AD8206)在工作机制上有明显的差异。前者是将输入差分信号转换成对地的不同电流,再由芯片内部的电阻转换成没有共模电压的差分信号经由后级运发放大输出,芯片主要依靠高压半导体工艺来抵抗共模高压的。而后者则是通过输入衰减电阻网络将信号进行统一衰减后,再利用差分放大对输入信号中的差分信号进行放大,芯片则依靠电阻网络来衰减共模高压的。

 

虽然在两个芯片的数据手册中已经将它们的主要性能指标进行了说明,但一些基于内部结构差异所带来的不一样则不能从芯片数据手册中立即看清楚。下面列出一些关键点,帮助设计最佳的解决方案。

 

1、放大器带宽

由于对输入信号的衰减,所以通过差分放大方案通常只有电流传感放大器的频率响应带宽的五分之一左右。尽管如此,这两款芯片的带宽还是能够满足大部分应用需求。

 

比如对于电磁铁驱动中,通常需要大于20kHz的PWM驱动,考虑到噪声对于电流信号放大带宽也要求大于20kHz。对于电磁铁控制往往着重考虑平均电流的稳定性,所以对于信号带宽要求不高。但在电机控制中的电流采样中,特别是对PWM信号控制下的电流顺时电流采集,则要求更高的电流放大带宽,此时就需要考虑使用电流传感放大器(AD8210)替代AD8206了,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-ModeRejection)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,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

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-SenseAmplifiers DifferenceAmplifiers
SpeedisIdealforMonitoring... Instantaneouscurrent Averagecurrent
InputCMR(DC) >100dB About80dB
InputCMR(PWM) About80dB About80dB
“Off”InputBias-CurrentConsumption Verylow Continuousleakageininputresistancedivider
ExternalFiltering Primarily“post” “Pre”or“post”
InputStressSusceptibility Externalstressesneedcarefulconsideration Typicallyrobust

 

参考资料

[1]High-SideCurrentSensing:DifferenceAmplifiervs.Current-SenseAmplifier:https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/high-side-current-sensing.html

 

[2]本文原文的PDF下载:https://www.analog.com/media/en/analog-dialogue/volume-42/number-1/articles/high-side-current-sensing.pdf

 

[3]AD8206:https://www.analog.com/en/products/ad8206.html

 

[4]AD8210:https://www.analog.com/en/products/ad8210.html