【導讀】測(ce)量(liang)係(xi)統(tong)中(zhong)的(de)電(dian)流(liu)是(shi)監(jian)控(kong)係(xi)統(tong)狀(zhuang)態(tai)的(de)基(ji)本(ben)但(dan)強(qiang)大(da)的(de)工(gong)具(ju)。憑(ping)借(jie)先(xian)進(jin)的(de)技(ji)術(shu)
，電(dian)子(zi)或(huo)電(dian)氣(qi)係(xi)統(tong)的(de)物(wu)理(li)尺(chi)寸(cun)正(zheng)在(zai)大(da)幅(fu)縮(suo)小(xiao)，從(cong)而(er)降(jiang)低(di)了(le)功(gong)耗(hao)和(he)成(cheng)本(ben)
，而(er)在(zai)性(xing)能(neng)方(fang)麵(mian)並(bing)沒(mei)有(you)太(tai)多(duo)折(zhe)衷(zhong)。每(mei)個(ge)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)都(dou)在(zai)監(jian)控(kong)自(zi)己(ji)的(de)健(jian)康(kang)狀(zhuang)況(kuang)和(he)狀(zhuang)態(tai)
，這(zhe)些(xie)診(zhen)斷(duan)提(ti)供(gong)了(le)管(guan)理(li)係(xi)統(tong)甚(shen)至(zhi)決(jue)定(ding)其(qi)未(wei)來(lai)設(she)計(ji)升(sheng)級(ji)所(suo)需(xu)的(de)重(zhong)要(yao)信(xin)息(xi)。

測(ce)量(liang)係(xi)統(tong)中(zhong)的(de)電(dian)流(liu)是(shi)監(jian)控(kong)係(xi)統(tong)狀(zhuang)態(tai)的(de)基(ji)本(ben)但(dan)強(qiang)大(da)的(de)工(gong)具(ju)。憑(ping)借(jie)先(xian)進(jin)的(de)技(ji)術(shu)，電(dian)子(zi)或(huo)電(dian)氣(qi)係(xi)統(tong)的(de)物(wu)理(li)尺(chi)寸(cun)正(zheng)在(zai)大(da)幅(fu)縮(suo)小(xiao)，從(cong)而(er)降(jiang)低(di)了(le)功(gong)耗(hao)和(he)成(cheng)本(ben)，而(er)在(zai)性(xing)能(neng)方(fang)麵(mian)並(bing)沒(mei)有(you)太(tai)多(duo)折(zhe)衷(zhong)。每(mei)個(ge)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)都(dou)在(zai)監(jian)控(kong)自(zi)己(ji)的(de)健(jian)康(kang)狀(zhuang)況(kuang)和(he)狀(zhuang)態(tai)，這(zhe)些(xie)診(zhen)斷(duan)提(ti)供(gong)了(le)管(guan)理(li)係(xi)統(tong)甚(shen)至(zhi)決(jue)定(ding)其(qi)未(wei)來(lai)設(she)計(ji)升(sheng)級(ji)所(suo)需(xu)的(de)重(zhong)要(yao)信(xin)息(xi)。

yuelaiyuexuyaoceliangxitongzhongdegezhongdianliu，congjixiaodedianliushuipingdaojianpeidedianliu。liru，zaiyixiaqingkuangxiakeyiquedingxitongzhongdianliuliudonghuoxiaohaodegaodongtaifanwei：

除了正常操作之外，睡眠/非活動電流用於確定總體負載性能和電池/電源功率估計。

ATE/測試環境需要處理極小/低微安電流水平到安培水平的電流，以進行研發或生產水平測試。

生產車間環境，用於捕獲生產問題（IC 下的助焊劑

、不需要的焊接短路或開路）以及正常的操作功能測試。

工業設備監控、ON 和 OFF 期間的功耗提供了設備的健康狀況，例如，在設備中監控的正常電流和泄漏電流以確定其隨時間的磨損。

圖 1. 電流檢測放大器 (CSA) + 檢測電阻。

圖 1 顯示了帶有檢測電阻器的 CSA。在存在高達 80V 的更高電壓電平（共模電平）應用的情況下，外部的簡單電流檢測放大器 (CSA)（但具有迎合精度和準確度的架構的複雜集成電路設計）和(he)檢(jian)測(ce)電(dian)阻(zu)器(qi)是(shi)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)測(ce)量(liang)電(dian)流(liu)時(shi)的(de)大(da)多(duo)數(shu)問(wen)題(ti)。電(dian)流(liu)檢(jian)測(ce)放(fang)大(da)器(qi)目(mu)前(qian)具(ju)有(you)一(yi)流(liu)的(de)準(zhun)確(que)度(du)和(he)精(jing)密(mi)度(du)，可(ke)以(yi)滿(man)足(zu)實(shi)現(xian)微(wei)安(an)級(ji)電(dian)流(liu)水(shui)平(ping)的(de)需(xu)求(qiu)
，同(tong)時(shi)仍(reng)能(neng)保(bao)持(chi)更(geng)好(hao)的(de)信(xin)噪(zao)比(bi) (SNR) 性能
，從而提供係統設計所需的測量分辨率。

然而
，為設計人員選擇優化的 CSA 並非易事。應考慮權衡取舍（圖 2）：

可用供應

可檢測電流（轉化為器件的輸入失調電壓 (V OS ) 有多低）
可檢測電流（轉換為輸入檢測電壓 (V SENSE )）

R SENSE允許的功耗

圖 2. 使用 CSA 和 R SENSE時要考慮的設計約束。

由於差分電壓範圍由電流檢測放大器的選擇來設置，因此增加 R SENSE值可提高較低電流值的測量精度，但功率耗散在較高電流時較高，這可能是不可接受的。此外，感測電流的範圍也會縮小 (I MIN : I MAX )。

降低 R SENSE值更為有利
，因為它降低了電阻器的功耗，增加了檢測電流範圍。降低 R SENSE值會降低 SNR（這可以通過平均來改善，以平均輸入端的噪聲）。應(ying)該(gai)注(zhu)意(yi)的(de)是(shi)，在(zai)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)
，設(she)備(bei)的(de)偏(pian)移(yi)會(hui)影(ying)響(xiang)測(ce)量(liang)的(de)準(zhun)確(que)性(xing)。通(tong)常(chang)，在(zai)室(shi)溫(wen)下(xia)進(jin)行(xing)校(xiao)準(zhun)是(shi)為(wei)了(le)提(ti)高(gao)係(xi)統(tong)精(jing)度(du)
，通(tong)過(guo)增(zeng)加(jia)某(mou)些(xie)係(xi)統(tong)的(de)測(ce)試(shi)成(cheng)本(ben)來(lai)抵(di)消(xiao)失(shi)調(tiao)電(dian)壓(ya)。

此外，輸入差分電壓範圍 (V SENSE ) 取決於電源電壓或內部/外部參考電壓和增益：

在實現高電流範圍的任何應用中，目標是化目標精度預算的動態範圍，這通常由以下等式估算：

對於輸入失調電壓約為 10μV 的大多數 CSA，V SENSE-RANGE通常為 100mV。請注意，如果選擇 V SENSE_MIN作為 10xV OS因數，則對於未校準係統中的 ±10% 誤差，這多提供 3 個十倍頻程。同樣
，如果選擇100xV OS
，則可以實現 ±1% 的誤差範圍，但動態範圍會縮小到 2 個十進製。因此
，動態範圍和精度之間存在權衡：收緊精度預算會降低 V SENSE_MIN規定的動態範圍，反之亦然。

需要注意的一點是，在 CSA + R SENSE係統中，R SENSE（容差和溫度係數）通常是係統總精度的瓶頸。由於與其他替代方案（例如電量計
、具有集成芯片電阻器的 CSA、使用運算放大器的差分放大器的分立實施）相比，它的簡單性、可靠性和合理的成本，這仍然是業界監控/celiangxitongdianliudeyouxiaozuofa。keyizhaodaogenggaodengjidegongchahewenduxishujiancedianzuqi，danjiagegenggao。yingyongzaizhenggewendufanweineidezongwuchayusuanxuyaodengyu R SENSE出現的誤差。

無電阻傳感解決方案：

對於需要測量從幾百微安到幾安的更高動態電流範圍的應用，下方圖 3 所示的集成電流檢測設備 (U1) 是非常有用
、有效的解決方案。該解決方案符合以下標準：

集成傳感元件（無電阻）
大於 4 個十進製的電流感測動態範圍

電流輸出功能（與 160Ω LOAD 一起提供 0-1V V OUT，兼容所有 ADC/微控製器輸入以實現電流）。

圖 3：具有集成電流檢測元件的 2.5V 至 5.5V 電流檢測係統

V DD輸入和負載 (LD) 輸出之間存在一個集成檢測設備，而不是外部檢測電阻器，能夠測量100uA 至 3.3A 的係統負載電流 (I LOAD )。增益為 1/500 的內部增益模塊提供 ISH 時的輸出電流
，即 . ISH 電流輸出與 GND 之間連接一個 160Ω 電阻，將0V 至 1V 的V ISH電壓輸出轉換。

在負載電流為 3A 時，傳感元件器件上的 V DD和 LD 的壓降約為 60mV（圖 1）
，相當於僅 180mW 的功耗
，而在較低電流值下，檢測 100μA 範圍時觀察到的總誤差在該區域的 10%（圖 2）。再加上在較高電流負載下功耗較低，並且在較低電流水平下仍然保持改進的誤差預算，該方案優於圖 1 的傳統檢測電路。因此，需要更寬電流檢測範圍（高達 3A 檢測）的應用可以從該方案中受益。

具有擴展線路/輸入電壓的無電阻傳感解決方案：

圖 4 是圖 3 的輸入電壓範圍擴展

，其中 U1 的電源電壓現在可以接受更高的線路電壓，可達 6V 至 36V。齊納二極管 (D1) 將 V DD和 PFET (M1) 柵極之間的電壓保持在 5.6 V。高壓線的大部分被 M1 吸收，M1 的源極被鉗位到距 V 大約 4V-4.5V DD輸入電壓，從而將 U1 工作電壓 (V DD -V SS ) 保持在其正常工作範圍內（圖 3）。這個 M1 的源極電壓然後偏置 M2 PFET 的柵極電壓。M2 PFET 源極為 V SS (U1) + V TH(M2) 確保 U1 ISH 輸出在可接受的電壓水平內。ISH 電流輸出和 R1 產生相對於 GND 的 0 至 1V 輸出。

圖 4. 具有集成電流檢測元件的 6V 至 36V 電流檢測係統

結論

如圖所示，無電阻器感測方法可以設計一個 4 個十倍頻程的電流感測架構，其工作範圍擴展至 36V。

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