精確的高端電流檢測在許多應用中都是必需的，包括電機控制、電磁閥控制和電源管理（例如，DC-DC轉換器和電池監控）。在此類應用中，監控高端（而不是返回）的電流可以提高診斷功能，例如確定對地短路和連續監測再循環二極管電流，并通過避免引入分流電阻來保持接地路徑的完整性。圖1、圖2和圖3描述了用于電磁閥和電機控制的典型高側分流配置。

圖1.典型電磁閥控制中的高邊分流器。

圖2.H橋電機控制中的高邊分流器。

圖3.三相電機控制中的高邊分流器。

在上面顯示的所有配置中，分流電阻器（用于監控負載電流）上的脈寬調制（PWM）共模電壓在從地到電池的整個范圍內擺動。該PWM輸入信號將具有由從功率級到FET的控制信號建立的周期、頻率和上升/下降時間。因此，監控分流電阻兩端電壓的差分測量電路需要將非常高的共模抑制和高電壓處理能力以及高增益、高精度和低失調的嚴格組合，所有這些都是為了提供負載電流值的真實表示。

在使用單個控制FET的電磁閥控制（圖1）中，電流始終沿同一方向流動，因此單向電流傳感器就足夠了。在電機控制配置（圖2和圖3）中，將分流器放在電機相位上意味著分流電阻中的電流可以雙向流動;因此，需要雙向電流傳感器。

研究高端電流檢測功能選擇的設計人員會發現許多半導體供應商的各種選擇。然而，一個關鍵的發現是，這些集成電路器件的選擇可以根據兩種完全不同的高壓架構進行分類：電流檢測放大器和差動放大器。

我們將在這里確定并解釋這些架構之間的一些關鍵差異，以幫助需要高端電流檢測的設計人員選擇最適合應用的器件。我們將比較兩個高壓器件，即雙向差動放大器AD8206和雙向電流檢測放大器AD8210。兩款器件均提供相同的引腳排列，并且都執行高端分流監控，但它們的規格和架構不同。那么，如何考慮哪種設備最適合該應用呢？

他們是如何工作的

AD8206（圖4）是一款集成式高壓差動放大器，通過使用輸入電阻將輸入電壓衰減65.16：7，使共模電壓保持在放大器A1的輸入范圍內，可承受高達1 V的共模電壓。遺憾的是，輸入電阻網絡也會以相同的值衰減差分信號。為了實現AD8206的20 V/V特性增益，放大器A1和A2實際上必須將差分信號放大約334 V/V。

圖4.AD8206簡化原理圖

該器件通過將輸出放大器偏移到電源范圍內的合適電壓來實現雙向輸入測量。失調是通過向連接到A2正輸入端的精確調整的電阻分壓器施加外部低阻抗電壓來實現的。該器件的一個有用特性是，當共模電壓變為負值多達2 V時，它能夠正確放大差分輸入電壓，這是圖中所示250 mV共模偏置電路的結果。

AD8210（圖5）是最近推出的高壓電流檢測放大器，具有與AD8206相同的功能關系，并使用相同的引腳連接。但是，它的工作方式不同，并且得到的規格與差動放大器的規格不同。

圖5.AD8210功能框圖

一個明顯的區別是，輸入結構不依賴于電阻衰減網絡來處理大共模電壓。輸入放大器包括高壓晶體管，可用于XFCB IC制造工藝。因為 V行政長官暴露于該電壓的所有晶體管的擊穿均超過65 V，輸入端的共模電壓可高達65 V。

AD8210等電流檢測放大器按以下方式放大小差分輸入電壓。輸入端子通過R1和R1連接到差分放大器A2。A1通過調節通過晶體管Q1和Q2的R1和R2的電流，使自身輸入端子上的電壓為零。當AD8210的輸入信號為0 V時，R1和R2中的電流相等。當差分信號不為零時，通過其中一個電阻的電流增加，在另一個電阻中減小。電流差與輸入信號的大小和極性成正比。通過Q1和Q2的差分電流通過兩個內部精密調整電阻轉換為以地為參考的差分電壓。然后，該電壓可以通過放大器A2放大，這次使用由器件的5 V（典型值）電源供電的低壓晶體管，以產生總增益為20的最終輸出。

采用這種架構的電流檢測放大器通常僅在輸入共模電壓保持在2 V或3 V以上，并且應用不要求輸入共模電壓一直接地（或低于）時才有用。但是，AD8210使用上拉電路將放大器A1的輸入保持在5 V電源附近，即使輸入共模降至5 V以下，甚至一直降至–2 V。因此，在遠低于器件 5V 電源的共模電壓下，可以進行精確的差分輸入電壓測量。

很明顯，電流檢測放大器和差動放大器執行相同的功能，但工作方式卻大不相同。差動放大器衰減高輸入電壓，使信號達到放大器可以容忍的水平。電流檢測放大器將差分輸入電壓轉換為電流，然后再轉換回以地為參考電壓;由于其高壓制造工藝，其輸入放大器能夠承受較大的共模電壓。兩種架構之間的差異自然會導致性能差異，設計人員在選擇高端電流監控解決方案時必須考慮這些差異。制造商的數據手冊通常提供根據精度、速度、功率和其他參數正確判斷使用哪種類型的器件所需的大部分信息。然而，在閱讀數據手冊時，器件架構固有的一些關鍵差異并不是很明顯，但它們可能是重要的設計考慮因素。以下是工程師必須注意的要點，以獲得最佳解決方案。

帶寬：由于輸入衰減，許多差動放大器的帶寬通常約為電流檢測放大器的五分之一。然而，差動放大器的較低帶寬對于大多數應用來說仍然足夠。例如，許多電磁閥控制應用的運行頻率低于20 kHz，但由于噪聲考慮，電機控制通常必須以20 kHz或更高的頻率運行。電磁閥控制通常涉及查看平均電流，差動放大器的帶寬非常適合這種應用。另一方面，對于電機控制，瞬時電流是關鍵，尤其是在測量電機相位時;因此，電流傳感器架構具有更高的帶寬，將產生更真實的實際電機電流表示。

共模抑制：這兩種體系結構之間的輸入結構差異也會導致 CMR 性能的差異。差動放大器通常具有經過調整的輸入電阻，跟蹤精度為0.01%。這種匹配程度通常可在直流時保證 80 dB CMR。電流檢測放大器采用晶體管輸入結構，可以獲得更好的匹配，因此CMR不再依賴于輸入電阻匹配，通常可以指定在100 dB以上，但共模電壓值較低時除外。例如，當輸入共模電壓小于8210 V時，AD80提供與差動放大器相同的5 dB。在此電壓范圍內，由于上述內部上拉電路，輸入結構變為阻性;因此，CMR再次成為0.01%精密調整電阻匹配的函數。不過，在整個范圍內，電流檢測架構將提供更好的共模抑制。

外部輸入濾波的影響：如果要在高端電流檢測應用中使用輸入濾波，該架構可能具有很高的影響力。輸入濾波器旨在消除輸入噪聲和電流尖峰的影響，通常如圖6所示實現。

圖6.輸入過濾器選項。

由于每個器件（無論其架構如何）都有一些經過調整的輸入電阻，因此串聯添加的任何外部電阻都會產生失配，導致增益和CMR誤差，通常計算如下（R在是指定的放大器輸入電阻）：

差動放大器的輸入電阻大于 100 kohm。對于AD8206，其中R在= 200 kohm，如果使用200歐姆濾波電阻，則額外的增益誤差將為~0.1%。假設電阻容差為1%，這些外部元件產生的共模誤差將為–94 dB，因此其貢獻無關緊要，因為它基本上隱藏在器件的80 dB指定CMR誤差中。

電流檢測放大器雖然具有高得多的共模輸入阻抗，但具有通常低于5 kohm的輸入串聯電阻，以便將差分輸入電壓轉換為電流。對于AD8210，必須使用以下公式重新計算上述公式R在= 3.5 kohm（差分輸入阻抗）。在這種情況下，濾波電阻引起的額外增益誤差可能高達5.4%！此外，假設最壞情況下外部電阻不匹配，CMR可能會降至59 dB。對于典型精度提供小于 2% 的最大總誤差的設備來說，這是對性能的重大打擊。

因此，在引入具有電流檢測架構的輸入濾波器時必須小心。當內阻為 10 kohm 或更小時，使用小于 5 歐姆的濾波電阻。這將確保電流檢測放大器保持較高的原始精度。如上所示，差動放大器可以使用更寬范圍的輸入濾波電阻值，因為高值輸入電阻不太容易受到外部失配的影響。

過驅動輸入：在高端電流檢測應用中，設計人員必須仔細考慮可能導致放大器在其規定范圍之外工作的潛在事件。在典型使用中，放大器的輸入相差只有幾百毫伏，這是由負載電流流過分流電阻引起的，但該器件能否承受輸入端出現幾伏電壓的故障條件？在這種情況下，差動放大器架構本質上更加穩健，一旦系統恢復正常，就更有可能繼續按預期工作。輸入電阻網絡可以簡單地將電流源向地提供;在65 V電壓下，AD8206每路輸入200 Kohm，將有325 μA電流流向地。

如果使用電流檢測架構，設計人員必須關注此類潛在問題。在第一個例子中，像AD8210這樣的器件將無法承受輸入端的較大電壓擺幅。此類器件通常在輸入之間包括一個ESD保護二極管。該二極管正向偏置的電壓差大于約0.7 V。該二極管的實際斷點各不相同，但大差分電壓（例如汽車電池提供的差分電壓）通常會導致由于電氣過應力而損壞器件。

負電壓保護：在許多情況下，有必要保護電流傳感器免受電池電壓反接的影響，尤其是在汽車應用中。差動放大器的電阻橋輸入可能是一個重要的生存因素。但是，設計人員必須檢查器件的絕對額定值，以確保輸入ESD二極管也設計為導通，但僅在大負電壓下導通。

然而，在這種情況下，電流檢測架構并不是最佳的，因為輸入放大器及其相應的輸入晶體管將直接連接到大負電壓。由于輸入不應承受較大的負直流電壓，因此電流檢測放大器的輸入ESD二極管通常設計為在輸入電壓范圍的指定低端之外導通。

然而，除了負直流電壓外，這種電流監視器還可能受到負輸入瞬變的影響。這在PWM系統中通常就是這種情況，當控制FET打開和關閉時，分流監視器的輸入共模電壓從地擺動到電池。同樣，必須仔細考慮絕對最大額定值，這主要由器件的輸入ESD二極管決定。和以前一樣，差動放大器受到高輸入電阻的保護，基本上不受負瞬變的影響;因此，ESD二極管通常設計為在大負電壓下箝位。但是，當使用電流檢測架構時，即使是非常短的持續時間的負瞬變也會使輸入ESD保護跳閘，該保護設計用于在接近器件輸入共模額定值的電壓下導通。雖然此類脈沖通常不會攜帶足夠的能量來損壞AD8210的ESD單元，但這方面的性能因器件而異。為確保不會出現并發癥，應在實際系統中測試此參數。

輸入偏置電流：在電源管理很重要且必須考慮小泄漏的應用中，兩種架構的不同輸入結構要求考慮輸入偏置電流。例如，在電池電流檢測系統中，兩種架構都將監控高端電流。但是，當系統關閉且電流監視器的電源關閉時，當輸入仍連接到電池時，差動放大器（如AD8206）的阻性輸入網絡中固有的接地路徑將需要偏置電流，該偏置電流繼續從電池漏電流。另一方面，采用電流檢測架構的器件具有非常高的輸入共模阻抗（AD5為>8210 Mohm），不會耗盡電池電流，因為幾乎沒有電流會通過其輸入流向地。

結論

高端電流檢測是汽車、電信、消費電子和工業應用中的普遍要求。現在市場上提供集成的高壓差分和電流檢測放大器來執行此功能。根據應用中的精度和生存要求，系統工程師需要仔細研究哪種類型的電流傳感器最適合其系統。下表總結了典型的注意事項。

兩種類型的電流監視器都可以完成這項工作，但它們不同架構提供的優勢伴隨著不同的權衡。對于瞬時電流監控，電流檢測放大器的寬帶寬最為合適，而差動放大器拓撲可以輕松滿足監控平均電流的應用。此外，對電流消耗敏感的電源管理應用受益于具有最小輸入斷電偏置電流消耗的電流檢測放大器。然而，在實施外部濾波器時，高端電流檢測放大器的輸入結構可能會限制性能，需要仔細檢查，以確保在惡劣的應用環境中不超過其絕對輸入額定值。

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審核編輯：郭婷