非隔离电流检测解决方案

日期：2023-11-22

需要测量电流

作者：ROHM半导体技术团队

许多电子设备需要测量电流，以支持其功能之一，或作为安全和控制的监管手段。在前一种情况下，能量测量工具和功率管理系统是常见的例子，而在后一种情况中，会想到逆变器反馈回路和过电流切断电路。在所有这些例子中，被测量的电流可以存在于各种各样的条件和数量级的跨度中。例如，高功率逆变器可以监测AC开关电路的两相中的电流。这些电流可能超过数百安培，并从数百伏的电势流出。另一方面，可能需要在可穿戴设备中安装一个燃料表来跟踪锂电池流出的微安。设计电路以适应如此广泛的应用需要深入的组件工具箱，并能够在考虑成本、性能和可用物理空间的同时选择适当的拓扑结构。

电流检测拓扑

测量流经导体的电流可以通过两种方式实现：检测电荷运动产生的磁场，以及使用欧姆定律从已知电阻和测量的电压降中导出未知电流。使用磁场有利于电隔离，这一功能对用户安全或高压环境至关重要。这种隔离的折衷是，量化磁场需要专门的霍尔效应传感器或电感器，以及优异的信号调节电路和校准要求。所有这些都导致成本增加和精度降低。
另一方面，使用欧姆定律推断电流并不能提供电隔离，但大大简化了测量电路的要求，并使用了成本相对较低的检测器件，即电阻器。非隔离检测的另一个折衷是功耗和动态范围。为了最小化检测电阻器中的发热和非线性，可以优选极低的电阻值。结果，由电流产生的电压降同样非常小。为了使用这种低幅度信号，需要高增益放大器以及低噪声设计和布局技术。
非隔离检测可以使用两种技术来实现，如下图所示。在第一个示意图中，分立运算放大器被配置为典型的差分放大器。要测量的电流在分流电阻器上产生一个小的电压降，运算放大器电路的输出与这个差值成比例，进而与电流成比例。在第二个示意图中，使用了用于电流检测的专用IC。在内部，它类似于分立版本，包含差分形式的运算放大器级。与分立版本不同，只需要一个外部分流电阻器，而不需要额外的支持组件。此外，电流检测放大器专门针对低噪声、宽共模范围和最小偏移进行了优化。

图1：使用分立运算放大器和专用电流检测放大器的非隔离电流测量

当将CSA解决方案与分立运算放大器设计进行比较时，重要的是要考虑所有支持无源器件的容差。如下所示，无论指定的无源容差有多紧，CSA在任何情况下都优于运算放大器。在极端情况下，CSA比5%容差运算放大器设计精确近20%。

图2：运算放大器电路方法和CSA增益精度比较（ΔT=100°C）

并联电阻器

在非隔离电流测量中使用的低电阻检测元件通常被称为分流器。与由碳、陶瓷和金属膜制成的电阻值通常在几欧姆到几百万欧姆之间的传统电阻器不同，分流器通常由电阻值在毫欧姆量级的金属合金制成。这是由于在分流精度开始降低之后的热限制。如下图所示，ROHM为电流检测应用提供了多种分流器，额定功率高达15瓦，电阻值从0.1毫欧姆到超过100毫欧姆。

图3：ROHM分流电阻器额定功率（W）与电阻（Ω）

影响电流测量精度的最重要因素之一是分流器的温度依赖性。ROHM的LTR100L系列提供4W的额定功率，温度系数在-65至155℃范围内小于300 ppm/℃。除了减少变化外，ROHM的分流器设计也进行了优化，以实现最大散热。如下图所示，在等电流条件下，ROHM器件的绝对温升降低了近25%。

图4：与其他竞争分流器相比，ROHM温度升高

电流检测放大器

当受到物理空间的限制或精度至关重要时，专用电流检测放大器（CSA）是最佳选择。不需要支持无源或保护组件，因为CSA直接连接到分流器，并提供与电流成比例的输出。这些放大器被设计为在整个温度范围内保持恒定增益（在1%以内），并且有多种配置可供选择，以满足任何应用。与分立设计相比，专用CSA表现出更宽的共模范围和更低的偏移。如下图所示，ROHM在单通道和双通道配置中提供CSA，具有多个增益选项，共模输入范围从26V一直到80V。

图5：ROHM的电流检测放大器产品组合

与竞争对手的运算放大器设计相比，ROHM CSA解决方案的绝对准确性大放异彩。如下所示，即使忽略了支持的无源变化，ROHM CSA在整个电流范围内的精度也提高了近5%。注意，对于所有电流测量，根据定义，误差接近零负载时的渐近线。

图6：与竞争对手的运算放大器相比，CSA的精度有所提高

低偏移运算放大器

在成本至上的应用中，可以使用运算放大器构建分立信号调节电路。在CSA无法满足精确增益要求或专业功能的情况下，这些电路还提供了额外的设计灵活性。输入电压偏移是影响差分放大器精度的最关键因素之一。为了消除电流测量应用中的这种误差，ROHM开发了专门的低偏移运算放大器。如下图所示，与标准竞争对手相比，这些器件表现出超过一个数量级的改进。

图7：专用低偏移运算放大器，可提高电流检测精度

为了说明输入电压偏移与电流检测精度相关的重要性，对整个电流检测范围内的不同偏移进行了一系列模拟。如以下结果所示，总电流检测误差与偏移电压直接相关。即使在只有1mV输入偏移的极端，电流检测误差在低测量端也会攀升至百分之几。

图8：作为运算放大器输入电压偏移函数的电流感测误差

对于精确的电流检测，专业的低偏移运算放大器是必要的，ROHM的产品阵容可以满足任何此类应用的需求。这些运算放大器也有一到四通道封装，以帮助最大限度地减少空间开销。即使组件总数和检测误差可能超过CSA解决方案，使用分立非隔离电流测量仍然可以实现令人信服的性能。
设计支持
从最初的概念到最终的生产，ROHM提供了一套完整的工具和产品，以帮助设计和实施电流检测解决方案。除了上述器件外，ROHM还开发了电流测量系统中常见的许多其他组件，包括输入保护、模数转换器、电源和监控IC。各种电流检测拓扑结构的应用说明，以及用于开发初始示意图和选择适当组件的模拟工具都可用。一旦PCB设计阶段开始，ROHM还为其所有零件提供完整的组件库，以加快放置和布线过程。最后，在验证阶段，ROHM的热模拟平台可以在投入生产之前免费获取潜在的热问题。这对于在要求高精度的系统中保持分流器性能尤其重要。要了解更多信息，请访问：https://www.rohm.com/products/resistors/current-detection-resistors#supportInfo

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