【導讀】對于大部分應用，都是通過(guò)感測電阻兩端的壓降測量電流。測量電流時(shí)，通常會(huì )將電阻放在電路中的兩個(gè)位置。第 一個(gè)位置是放在電源與負載之間。這種測量方法稱(chēng)為高側感測。通常放置感測電阻的**個(gè)位置是放在負載和接地端之間。這種電流感測方法稱(chēng)為低側電流感測。這兩種用于感測負載中電流的方法如圖圖 1 所示。

兩種測量方法各有利弊。低側電流測量的優(yōu)點(diǎn)之一是共模電壓，即測量輸入端的平均電壓接近于零。這樣更便于設計應用電路，也便于選擇適合這種測量的器件。由于電流感測電路測得的電壓接近于地，因此在處理非常高的電壓時(shí)、或者在電源電壓可能 易于出現尖峰或浪涌的應用中， 優(yōu)先選擇這種方法測量電流。由于低側電流感測能夠抗高壓尖峰干擾，并能監測高壓系統中的電流，因此廣泛應用于很多汽車(chē)、工業(yè)和電信 應用中。低側電流感測的主要缺點(diǎn)是采用電源接地端和負載/系統接地端時(shí)，感測電阻兩端的壓降會(huì )有所不同。如果其他電路以電源接地端為基準，可能會(huì )出現問(wèn)題。為大限度地避免此問(wèn)題，存在交互的所有電路均應以同一接地端為基準。降低電流感測電阻值有助于盡量減小接地漂移。

設計電路或選擇用于電流測量的器件時(shí)，低側電流感測是簡(jiǎn)單的方法。由于輸入端的共模電壓低，因此可使用差分放大器拓撲。圖 2 給出了采用運算放大器（運放）的經(jīng)典差分放大器拓撲。

使用運放進(jìn)行電流感測時(shí)，要確保運算正確，需要滿(mǎn)足多項性能要求。首先，通過(guò)信號電源工作時(shí)，運算放大器需要支持對地的共模輸入電壓。由于差分放大器通常會(huì )提高差分輸入信號的增益，因此務(wù)必擺動(dòng)到運放的軌規范范圍內，以確保信號正常傳遞到輸出端。由于上述原因，通常會(huì )優(yōu)先使用軌到軌輸入和輸出運算放大器進(jìn)行電流感測。由于在差分放大器配置中并未指定運算放大器，因此難以判斷在實(shí)際應用中會(huì )達到何種性能。如果在運放周?chē)黾与娮?，建立電流感測電路，則轉換率、帶寬、輸入電流、共模抑制以及漂移等參數性能都會(huì )下降。參數性能下降程度將取決于放大器的閉環(huán)增益以及增益設置電阻的值。采用分立解決方案時(shí)，需要考慮圖 2 中 R1 和 R2 的匹配和容差，因為這些元件的變化將直接影響電路的增益誤差。

采用分立電流感測放大器時(shí)要考慮的另一因素是 PCB布局。需要將 R1 和 R2 放在盡可能靠近運算放大器和電流感測電阻的位置。將這些元件放在靠近運放的位置后，運算放大器同相輸入端出現噪聲拾取的可能性會(huì )降低。由于很多電流感測放大器都與 DC/DC 轉換器配合使用，因此需要仔細考慮整個(gè)電流感測電路的放置位置，以免 DC/DC 電源發(fā)出輻射噪聲。差分放大器增益可通過(guò)圖 2 所示的等式進(jìn)行計算。但增益增大或減小都會(huì )影響解決方案的穩定性和帶寬。如果應用中存在容性負載，需要特別考慮運放的 穩定性，以免 出現振蕩或嚴重的輸出振鈴現象。

若要克服分立實(shí)現方案的缺陷，一種有效方式是采用圖3 中所示的電流感測放大器。

電流感測放大器集成了增益設置電阻，從而可減少分立實(shí)現方案存在的諸多布局問(wèn)題。內部電阻設計用于減少不匹配情況，從而可優(yōu)化增益誤差規范。電流感測放大器經(jīng)過(guò)預先配置，可滿(mǎn)足多種不同的增益要求。例如，INA199 的增益可為50、100和200V/V。帶寬和容性負載穩定性使用數據表中指定的大容性負載針對各個(gè)增益設置進(jìn)行了優(yōu)化。集成增益設置電阻可降低噪聲靈敏度、減小 PCB 占用面積，并可簡(jiǎn)化布局。集成這些電阻并不一定意味著(zhù)會(huì )增大封裝尺寸。INA199 可采用 2 mm x 1.25 mm SC70 6 引線(xiàn)封裝和 1.8 mm x1.4 mm 超薄四方扁平無(wú)引線(xiàn) (UQFN) 封裝。

INA199 的電流測量精度要高于成本效益高的分立運放設計可達到的精度。該器件 在 -40°C 至 105°C 溫度范圍內的大增益誤差為 1.5%。INA199 的偏移小于 150μV，漂移低于 0.5 μV/°C。

INA199 還 具有 REF 引腳。施加到 REF 引腳上的電壓會(huì )增大輸出端電壓。如果下游器件需要轉換電流信號電平，可使用該引腳。

備選器件建議

對于對性能要求較高的 應用， INA210-215 系列器件具有較低的偏移（大 35μV）和增益誤差（大 1%）。如果需要使用數字接口實(shí)現高精度電流監測，INA226具有 大 10 μV 的偏移以及 0.1% 的增益誤差。如果需要小型數字電流監測，可選擇采用小型 1.68 mm x 1.43mm 封裝的 INA231，它非常適合便攜式應用或空間受限的其他 應用。如果需要通過(guò)引腳可綁定的增益設置進(jìn)行電壓輸出電流監測，可采用 INA225。