電流測量(即檢測流入和流出電子電路的電流)是設計者的一項必備技能
，也是各種應用中必不可少的。應用示例包括過流保護
、4–20mA係統、電池充電器、高亮度LED控製、GSM基站電源、H橋電機控製
，您必須知道此類應用中流入和流出可充電電池的電流比(也就是電量計功能)。

 

隨著越來越多的便攜式應用，對專用電流監測器的需求已經大大增加


，從而以小封裝
、低靜態電流實現其任務。以下的討論涵蓋低邊和高邊電流監測器，包括其架構和應用。

 

采用高邊還是低邊監測器
？
 

大多數電流測量應用采用低邊原理，檢測電阻與接地通路串聯(圖1)；或者采用高邊原理，檢測電阻與電源線串聯(圖2)。兩種方法都具有不同的優缺點。低邊電阻在接地通路中增加了不希望的額外阻抗；采用高邊電阻的電路必須承受相對較大的共模信號。此外，如果圖1中運放的GND引腳以RSENSE的正端為基準，那麼其共模輸入範圍必須覆蓋至零以下，也就是GND - (RSENSE × ILOAD)。

 

圖1. 低邊電流監測器原理。

 

圖2. 高邊電流監測器示例。

 

然ran而er，不bu要yao因yin為wei低di邊bian測ce量liang電dian路lu的de簡jian單dan性xing而er忽hu略lve高gao邊bian測ce量liang方fang法fa的de優you勢shi。多duo種zhong故gu障zhang會hui避bi開kai低di邊bian監jian測ce器qi
，從cong而er使shi負fu載zai麵mian臨lin危wei險xian和he未wei檢jian測ce到dao的de情qing形xing(圖3)。注意，能夠檢測通過路徑A連接的負載
，但通過路徑B的(de)意(yi)外(wai)連(lian)接(jie)則(ze)避(bi)開(kai)了(le)監(jian)測(ce)器(qi)。另(ling)一(yi)方(fang)麵(mian)
，高(gao)邊(bian)監(jian)測(ce)器(qi)直(zhi)接(jie)連(lian)接(jie)至(zhi)電(dian)源(yuan)，能(neng)夠(gou)檢(jian)測(ce)所(suo)有(you)的(de)下(xia)行(xing)故(gu)障(zhang)並(bing)觸(chu)發(fa)相(xiang)應(ying)的(de)補(bu)救(jiu)措(cuo)施(shi)。高(gao)邊(bian)監(jian)測(ce)器(qi)也(ye)比(bi)較(jiao)適(shi)合(he)汽(qi)車(che)應(ying)用(yong)，此(ci)類(lei)應(ying)用(yong)中(zhong)的(de)外(wai)殼(ke)作(zuo)為(wei)地(di)電(dian)勢(shi)。

 

圖3. 如果負載意外接地，通路B可產生危險的高電流。

 

 

以(yi)前(qian)
，這(zhe)兩(liang)種(zhong)方(fang)案(an)的(de)許(xu)多(duo)實(shi)現(xian)方(fang)法(fa)都(dou)基(ji)於(yu)分(fen)立(li)式(shi)元(yuan)件(jian)或(huo)半(ban)分(fen)立(li)式(shi)電(dian)路(lu)。最(zui)簡(jian)單(dan)情(qing)況(kuang)下(xia)

，此(ci)類(lei)高(gao)邊(bian)監(jian)測(ce)器(qi)要(yao)求(qiu)高(gao)精(jing)度(du)運(yun)放(fang)和(he)少(shao)數(shu)幾(ji)個(ge)精(jing)密(mi)電(dian)阻(zu)。高(gao)邊(bian)測(ce)量(liang)的(de)一(yi)種(zhong)常(chang)見(jian)方(fang)法(fa)是(shi)使(shi)用(yong)傳(chuan)統(tong)的(de)差(cha)分(fen)放(fang)大(da)器(qi)作(zuo)為(wei)增(zeng)益(yi)放(fang)大(da)器(qi)以(yi)及(ji)從(cong)高(gao)邊(bian)至(zhi)地(di)的(de)電(dian)平(ping)轉(zhuan)換(huan)器(qi)(圖4)。盡管這種分立式電路使用廣泛
，但具有以下三個主要缺點：

 

 

高邊電流監測需求帶動了大量用於該目的的新集成電路的發展。另一方麵
，低邊測量未推動新型相關IC的進步。

 

圖4. 差分放大器是高邊電流測量電路中的基本元件。

 

 

隨著大量包含高精度放大器和精密匹配電阻的IC的推出
，在高邊電流測量中使用差分放大器變得非常方便。這些器件的CMRR達到105dB數量級，MAX4198/MAX4199就是例子之一(圖5)。IC采用8引腳µMAX封裝，典型CMRR達到110dB
，增益誤差優於0.01%。

 

 

圖5. 集成差分放大器(MAX4198/MAX4199)具有非常高的CMRR。

 

 

高邊電流測量的另一種方法以包含執行測量所需全部功能的IC為代表。這些IC在高達32V的共模電壓下檢測高邊電流，並提供以地為基準的電流或電壓輸出，輸出與被測電流成比例。電源管理
、電池充電及其它必須高精度測量或控製電流的應用均受益於這些專用電流檢測放大器。

 

Maxim的de高gao邊bian電dian路lu檢jian測ce放fang大da器qi將jiang電dian流liu檢jian測ce電dian阻zu放fang在zai電dian源yuan的de正zheng端duan與yu被bei監jian測ce電dian路lu電dian源yuan輸shu入ru之zhi間jian。這zhe種zhong設she計ji避bi免mian了le接jie地di區qu域yu上shang的de外wai接jie電dian阻zu，大da大da簡jian化hua了le布bu局ju，通tong常chang會hui改gai善shan總zong體ti電dian路lu性xing能neng。Maxim提供的單向和雙向電流檢測IC包括帶有或不帶內部檢測電阻的雙向器件。雙向放大器包括一個用於指示電流方向的信號引腳。

 

這些單向和雙向電流檢測IC的型號包括帶可調增益，+20V/V、+50V/V或+100V/V固定內部增益

，以及內部增益加單或雙比較器。器件采用小型封裝，滿足緊湊型應用的嚴格要求。

 

所有Maxim高邊IC的(de)共(gong)同(tong)點(dian)是(shi)具(ju)備(bei)提(ti)供(gong)以(yi)地(di)為(wei)參(can)考(kao)的(de)電(dian)壓(ya)或(huo)電(dian)流(liu)輸(shu)出(chu)的(de)能(neng)力(li)，不(bu)需(xu)要(yao)或(huo)隻(zhi)需(xu)要(yao)很(hen)少(shao)的(de)附(fu)加(jia)元(yuan)件(jian)。輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)與(yu)被(bei)測(ce)高(gao)邊(bian)電(dian)流(liu)成(cheng)比(bi)例(li)
，其(qi)共(gong)模(mo)電(dian)壓(ya)可(ke)高(gao)達(da)32V。圖6至9所示為集成高邊電流監測器的幾種架構。注意
，MAX4172電流源輸出與RSENSE上的電壓成比例。

 

新型高邊監測器的方程式表明，外部電阻對CMRR的影響不再是問題，因為現在的MRR(典型值大於90dB)主要取決於集成放大器。在單片IC中集成電流檢測功能具有如下優勢：

 

 

圖6. 雙向高邊電流監測器的簡化原理圖(MAX9928/MAX9929)，帶有表示電流方向的SIGN輸出。

 

圖7. 單向高邊電流監測器(MAX4372)。

 

 

圖8. 另一種單向高邊電流監測器(MAX4172)。

 

圖9. 單向高邊電流監測器的另一種架構(MAX4173)。

 

 

在設計任何類型的電流監測器時
，謹慎選擇檢流電阻(RSENSE)非常重要也必不可少。應遵循以下標準選擇RSENSE：

 

 

圖10. 該高邊電流監測器(MAX4172)采用PCB走線作為RSENSE.

 

 

圖11所示的電路為可變線性電流源。IC1將R1電流轉換為成比例的輸出電壓，使電壓調節器(IC2)產生穩壓輸出電流。為將IOUT設置為0mA至500mA之間的調節電流
，在ICONTROL上施加5V至0V電壓(5V設置IOUT = 0mA，0V設置IOUT = 500mA)。作為替代方案，您可增加如圖所示的D/A轉換器，對IOUT進行數字控製。對於12位分辨率(60µA/LSB)，DAC可為並行輸入MAX530或串行輸入MAX531
；對於10位分辨率(250µA/LSB)，DAC可為並行輸入MAX503或串聯行入MAX504。

 

圖11. 可變線性電流源(MAX603)。

 

圖12所示電路為0–5A可編程電流源
，利用4V至28V電源產生0A至5A電流，具有兩方麵優勢：12位D/A轉換器使其能夠進行數字編程
；開關模式降壓型調節器(IC1)使其比使用線性晶體管的替代電流源的效率高。應用包括過流保護
、4–20mA係統、電池充電器、高亮度LED控製
、GSM基站電源以及H橋電機控製。

 

 

圖12. 0–5A可編程電流源(MAX4173)。

 

通用串行總線(USB)的廣泛應用帶動了各種2.7V至5.5V電源過流保護電路的發展，但高於該電壓範圍的產品很少。圖13所示的短路器工作在26V電源電壓下，利用可編程電流門限進行觸發。

 

圖13.該高壓短路器(MAX4172)提供高達26V的保護。

 

本文來源於Maxim。