Killoser

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电流检测基本原理与容易忽视的细节

2019-2-14 16:28:57 显示全部楼层
本系列文章包含两个部分,将介绍电流检测中容易忽视的细节。本文为第 1 部分,将讨论电流检测电阻的一般设置、选择和实现。第 2 部分将讨论相关电路,例如关键的模拟前端 (AFE) 和仪表放大器。

第 1 部分 - 电流检测电阻器

电流测量的基础知识

电流是用于评估、控制和诊断电子系统工作有效性的最常见参数之一。由于电流测量是一种非常常见的测量方式,因此如果设计师忽视了精确电流测量的细微差别,往往会遇到麻烦。

用于检测电流的最常见传感元件是置于电流路径中的低阻值精密电阻器。该电阻通常称为分流器,会在两端产生一个与通过它的电流成比例的电压。由于分流电阻器不应该显著影响电流,所以它通常非常小,阻值为毫欧级或不到一毫欧 (mΩ)。分流电阻器两端产生的电压因此也非常小,在被 ADC 转换之前通常需要放大。

结合这些因素,针对电流监控的常用信号链配置会涉及到一个用于放大分流电阻器两端电压的模拟前端、一个将放大的电压转换为数字表示的 ADC,以及一个系统控制器(图 1)。
图 1:测量电流的最简单方法是使用分流电阻器(最左侧),电阻器上产生的电压与流经它的电流成正例。为了使用完整的 ADC 测量范围,模拟前端 (AFE) 会放大分流电阻器两端的低电压。(图片来源:Texas Instruments)

AFE 通常使用运算放大器或专用电流检测放大器实现,将分流电阻器两端产生的小差分电压转换为更大的输出电压,以便使用完整的 ADC 测量范围。ADC 可以是独立器件,也可以是微控制器或片上系统 (SoC) 内的片载模块,可对电压信号进行数字化处理,并将结果信息提供给控制处理器。系统控制器使用电流的数字化测量结果来优化系统性能或实现安全协议,以防止在电流超过预设限值时损坏系统。

在将电流转换为电压的链路中,电阻器作为传感器元件,其任何物理特性(电阻、容差、功率容量、热系数和热电势)都会影响精度。因此,选择合适的分流电阻器对于优化电流测量至关重要。

分流电阻器两端产生的分流电阻值和相应电压会扰乱系统。例如,电阻太大的分流电阻器可降低用于驱动负载的电压,并导致不必要的损耗。

举个例子,当测量电机绕组的电流时,降低的电压会减少电机可用的电能,从而影响其能效和/或扭矩。此外,流经分流电阻器的大电流(数十或数百安培)将导致电阻器消耗大量电能,散发废热,使得测量精度和效率降低。出于以上原因,分流电阻器应尽可能小。

挑选用于测量电流的分流电阻器

由于分流电阻器会因负载电流流过而消耗电能,因此它们的电阻值需要非常低。此外,为实现测量稳定性,电流检测电阻还应具有非常低的电阻温度系数 (TCR)。低 TCR 将有益于实现高测量精度,且受温度影响较小。

电流检测电阻的热电势是另一个重要特征。分流电阻器必须在宽电流范围内工作。当电流较低时,例如在睡眠或待机模式下的电池应用中,分流器的热电势会将测量误差电压增加到流经电阻器的电流所产生的电压。该误差电压应显著低于流经分流电阻器的目标电流产生的最低预期电压,从而最大限度减小测量误差。

用于电流检测应用的分流电阻器提供两个或四个端子。带有两个端子的分流电阻器最容易理解,因为它的工作方式与任何双端子电阻器的工作方式相同。电流通过双端子分流电阻器,会在其端子上产生一个与通过电阻器的电流成正比例的电压。

双端子分流电阻器的示例包括 Bourns CSS2 分流电阻器系列和 Vishay WSLP 分流电阻器系列。Bourns CSS2 系列包括额定功率为 2 至 15 W 的分流电阻器,电阻介于 0.2 至 5 mΩ,最大额定电流介于 140 至 273 A。该系列中的典型器件 CSS2H-2512R-L500F 采用 2512 表面贴装封装,电阻为 0.5 mΩ,额定功率为 6 W。

Vishay 的 WSLP 分流电阻器系列具有不同的表面贴装封装类型,封装尺寸从 0603 至 2512 不等,额定功率为 0.4 至 3 W,电阻为 0.5 mΩ 至 0.1 Ω,电阻容差为 0.5% 或 1%。WSLP1206R0150FEA 就是一个典型的 Vishay 分流电阻器,它采用 1206 封装,电阻为 15 mΩ,容差为 1%,额定功率为 1 W。

请注意,这些表面贴装技术 (SMT) 分流电阻器较小,需要的电路板空间很小,但由于它们的发热量很大,因此应远离热敏元件。

一个分流电阻器中三个电阻

分流电阻器并不像其外表看起来那么简单。具体而言,分流电阻器的电阻实际上由三个电阻组成(图 2)。首先,分流电阻器本身有电阻。其次,分流电阻器引线和分流电阻器连接的印刷电路板上的引线也有电阻。通常这些引线电阻不明显,但是分流电阻器的电阻值通常非常低。在高电流测量中,即使很小的引线电阻也会引入测量误差,因为制造商的分流电阻器电阻规格中并未考虑这些电阻。
图 2:双端子分流电阻器有三个串联电阻:实际分流电阻器的电阻、电阻器两根引线的电阻以及电阻器连接的印刷电路板上的引线或印制线的电阻(未显示)。引线电阻可能在高电流测量中导致测量误差。(图片来源:Bourns)

避免外部引线电阻引起测量误差的一种方法是,通过在双端子分流电阻器上部署单独检测印制线来建立开尔文连接(图 3)。
图 3:双端电流检测电阻器的开尔文连接可减少电阻器和电路板引线电阻引起的测量误差。右侧显示的是双端子分流电阻器实例图像。(图片来源:Bourns)

在此配置中,大的电路板印制线承载分流电阻器的电流输入和输出。小的多的印制线则不在主电流中,但尽可能靠近分流电阻器的电阻元件,截取分流电阻器两端的电压并将该电压传送到 AFE。将载流端子与检测端子分开,即形成开尔文连接。

使用双端子分流电阻器的开尔文连接的结果示意图表示如图 4 所示。
图 4:使用到双端子分流电阻器的开尔文连接,将电压检测线路与主电流路径分离,从而对分流电阻器实现更精确的电压测量。(图片来源:Bourns)

流经图 4 所示的两个检测电阻的电流非常小,因为它们连接到放大器或 ADC 的高阻抗输入端,这使其电阻远不如承载分流电阻器输入和输出高电流的引线电阻值重要。因此,检测电阻上的电压降非常小,不构成电流测量的重要误差源。

两个端子还是四个?

从图 3 中的印刷电路板布局图中可以看出,即使使用开尔文连接,也不可能完全消除双端子分流电阻器中的引线电阻。当分流电阻器放置并焊接到电路板上时,需要有一些焊盘布局公差以容纳定位误差。

此外,印刷电路板铜印制线的 TCR(3900 ppm/ ̊C)远高于分流电阻器阻性元件的 TCR(通常低于 50 ppm/ ̊C)。 这些参数差异导致电路板印制线中的电阻变化远高于电流检测电阻器的变化,使得检测电路受温度影响较大。

当使用具有开尔文连接的双端子分流电阻器时,对于涉及极高电流的许多电流检测应用来说,精度可能不足。对于此类应用,制造商提供带有四个端子的分流电阻器,在电阻器内实现开尔文连接。通过采用该电阻器,制造商可以完全控制与开尔文连接相关的所有公差和温度系数(图 5)。
图 5:四端子分流电阻器实现高精度开尔文连接,检测连接紧邻分流电阻器。右侧显示的是四端子分流电阻器实例图像。(图片来源:Bourns)

采用开尔文连接的四端子电流检测电阻器采用适合电阻器高电流和电压测量的独立端接,有助于提高测量精度。此外,与使用电路板布局实现开尔文连接的双端子分流电阻器相比,使用带有内置开尔文连接的四端子分流电阻器可以提高温度稳定性,从而降低 TCR 影响。

Bourns 在其 CSS4 系列表面贴装器件中提供了几种四端子分流电阻器(图 6)。
图 6:Bourns 的 CSS4 表面贴装分流电阻器采用四端子开尔文连接,以最大限度地提高电流测量精度。(图片来源:Bourns)

Bourns CSS4 系列的代表产品包括容差 1%、5 W、0.5 mΩ 的 CSS4J-4026R-L500F 和容差 1%、4 W,2 mΩ 的 CSS4J-4026K-2L00F 分流电阻器。这两款器件均具有低 TCR、低热电势以及小于 10 mm x 7 mm 的物理封装尺寸。

总结测量电流的第一步是将电流转换为更易于测量的电压参数。分流电阻器是完成此任务的高性价比元件。但是,如文中所述,分流电阻器的阻抗值应该很低,以最大限度地减少其对电路的影响,并最大限度地降低电阻器本身的功率耗散。

分流电阻器的其他重要参数包括 TCR 和热电势,这两者都会显著影响电流测量精度。

最后,为了最大限度地提高测量精度,确保高电流经由检测路径流经电流检测电阻器,这一点至关重要,方法是使用特殊印刷电路布局为双端子电流检测电阻创建开尔文连接,或使用四端子电流检测电阻。

由于低电阻值意味着电流检测电阻上产生的电压很小,本系列文章的第 2 部分将讨论如何设计将低电压放大为更大电压的 AFE 的考虑因素,以使电压更易被 ADC 测量。

第 2 部分 - 电流检测放大器         

电流检测电阻器,也称为分流器,是测量电流的首选技术。为了不对电流产生不利影响,分流器的电阻值较小,在两端产生成比例的小电压。因此,设计人员必须利用放大此小电压的电路,通过模数转换器 (ADC) 进行上游转换。

分流电阻器两端的小电压通常必须从数十或数百毫伏增加到零点几伏。此任务通常由运算放大器或电流检测放大器来执行。电流检测放大器是一种专用运算放大器,集成了激光微调的精密电阻网络,用以设置增益。通常,放大器电压增益大约为 20 到 60 级,有时甚至更大。

电流检测放大器在同一封装中可能包含或不包含分流电阻器。对于高功率应用,优选外部分流电阻器,因为功率耗散会产生热量。

用于监控电流的最常见信号链配置包括分流电阻器、模拟前端 (AFE)、模数转换器和系统控制器(图 1)。AFE(例如运算放大器或专用电流检测放大器)将分流电阻器两端产生的小差分电压转换为 ADC 可用的电压。
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图 1:测量电流的最简单方法是使用分流电阻器(最左侧),电阻器上产生的电压与流经它的电流成正例。为了使用完整的 ADC 测量范围,模拟前端 (AFE) 会放大分流电阻器两端的低电压。(图片来源:Texas Instruments)

将分流电阻器连接到电路中用于低压侧和高压侧电流测量有两种基本方法。两种方法各有不同的优势和劣势。

低压侧电流测量

低压侧电流测量将分流电阻器放置在有源负载和接地之间。用于低压侧电流测量的最合适电路如图 2 所示。该电路使用 Texas Instruments INA181 电流检测放大器,但许多其他放大器也可用于低压侧测量。

图 2:使用 Texas Instruments INA181 的低压侧电流测量电路将电流检测电阻器放置在有源负载和接地之间。(图片来源:Texas Instruments)

低压侧电流测量很容易实现,因为分流电阻器两端的检测电压以接地为参考。此配置允许电流检测放大器为低压部分,因为被检测的电压为仅高于接地参考的毫伏量级。在此配置中,检测电压不会在更高的电压上工作,因此不需要共模抑制。低压侧测量法是最简单、实现成本最低的方法。

低压侧电流测量的缺点在于,由于分流电阻器的放置,负载不再以接地为参考,导致负载的低压侧高于接地电压几毫伏。

如果负载和接地之间存在短路,则无接地参考可能成为一个问题。例如,如果金属封闭负载(例如电动机)的接地参考外壳存在绕组短路,则会发生此类短路。电流检测电阻器可能无法检测到此类短路。

此外,放大器的共模输入电压必须包括接地以进行低压侧测量。对于采用正负电源供电的放大器来说,这通常不是问题,但对于采用单电源供电的放大器来说,这可能是一个问题。因此,当选择合适的放大器进行低压侧测量时,包含接地的共模电压范围就成为一项重要的标准。

进行低压侧电流测量还有一个重要方面。请注意,图 2 中的 Texas Instruments ADS114 ADC 直接接地,该 ADC 的低压侧输入节点靠近 INA181 电流检测放大器的输入接地参考连接。

对于使用低阻分流电阻器上产生的小电压(通过的是高负载电流)进行的电流检测,务必记住所有接地可能不并处于相同的电势。当地面网络或接地平面承载与许多电源应用关联的高电流时,系统中的一个接地点和另一个接地点之间很容易发生毫伏级别的电势差。作为预防措施,必须将相关接地参考接线保持在彼此非常接近的位置,以最大限度地减小接地参考之间的电压差。

要消除此误差源,ADC 的接地参考引脚必须靠近电流检测电阻器的低压侧和电流检测放大器的低压侧输入端。连接点是接地平面的重要部分,绝不能图方便。为确保无误,直接在原理图上记下此要求,并显示接地参考的星形连接,以确保真正强调了这一点。

同样,当电流检测电阻器两端的电压很小时,电流检测放大器的输入补偿电压会不成比例地影响放大精度。因此,最好选择输入补偿电压非常低的放大器。以上图 2 所示的 INA181 放大器的输入补偿电压为 ±150 微伏,适用于无共模电压的低压侧测量配置。

尽管有几个缺点,但如果负载不需要参考接地,并且负载和接地之间的内部短路不是问题,也不需要通过电流测量电路进行检测,那么低压侧电流测量配置就是一个很好的选择。

但是,对于必须满足功能安全要求的设计,高压侧电流测量技术更适合。

高压侧电流测量

高压侧电流测量将分流电阻器插入电源和有源负载之间,如图 3 所示,使用 Texas Instruments INA240 电流检测放大器作为 AFE。该器件的共模输入电压可以远超其供电电压,使其成为高压侧电流测量的理想选择。
图 3:高压侧电流测量电路将电流检测电阻器放置在电源和有源负载之间。(图片来源:Texas Instruments)

与低压侧测量相比,高压侧电流测量具有两个关键优势。首先,很容易检测负载内部对接地产生的短路,因为产生的短路电流将流过分流电阻器,在其两端产生电压。其次,这种测量技术不参考接地,因此流过接地平面的高电流产生的差分接地电压不会影响测量。但是,将 ADC 的接地参考连接小心地放置在放大器接地附近仍然是一种好的做法。
高压侧电流测量技术有一个主要缺点。如上所述,它要求电流检测放大器具有高共模抑制,因为在分流器两端产生的小电压恰好低于负载供电电压。根据系统设计,该共模电压可能非常大。图 3 中的 INA240 电流检测放大器具有 -4 至 80 伏的宽共模范围。

是否集成增益电阻器?

图 2 和图 3 显示了低压侧和高压侧电流测量配置,均采用带集成增益设定电阻器的电流检测放大器。这些集成电阻器具有许多设计优势,包括简化设计、减少电路板元器件和激光微调增益精度。使用此类放大器的一大缺陷是增益在出厂时就已永久性设定。如果增益设定适合既定应用,这就不是问题。但是,如果为了满足其他标准而选定分流电阻器的阻值,导致应用需要独特的增益,则运算放大器与分立电阻器相结合是更好的选择。

图 4 显示了一个用于高压侧电流测量的电流检测放大器电路,它基于 Microchip Technology MCP6H01 运算放大器和分立式增益设定电阻器。
图 4:采用分立电阻器和运算放大器的高压侧电流测量配置。(图片来源:Microchip Technology)

在该电路中,按 R2 除以 R1 的比率设定放大器增益。另请注意,R1* = R1,R2* = R2,并且分流电阻器 RSEN 应该比 R1 或 R2 都小得多。这通常不是问题,因为对于电流非常高的应用来说,分流电阻器的值通常为毫欧量级甚至不到一毫欧。

图 4 中的公式清楚地表明,与采用具有内部增益设置电阻器的电流检测放大器相比,采用运算放大器和分立电阻器需要的元器件规格更高。

总结

电流检测放大器将分流电阻器两端产生的低电压转换为更适合 ADC 进行转换的较大电压。有两种适合的电流检测类型:低压侧和高压侧。低压侧测量将电流检测电阻器插入负载和接地之间,而高压侧测量则将电流检测电阻器插入电源和负载之间。低压侧和高压侧测量配置都有不同的优点和缺点,因此选择时需要考虑特定应用。

在测量电流时,可以使用专用电流检测放大器(在出厂时使用集成激光微调电阻器设置增益)或适合的运算放大器和分立电阻器。第一种选择减少了电路板元器件的数量并简化了 AFE 的设计。但是,如果 AFE 设计需要自定义增益以适应特定的分流电阻器阻值和 ADC 输入电压范围,则第二种选择更合适。

来源:digikey

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238112554_qq

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johnrita_776664 2019-2-15 13:29:58 显示全部楼层
很棒的分析,释怀了心中部分疑虑!赞!
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sanlik深力科

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sanlik深力科 2019-2-16 10:09:03 显示全部楼层
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yzw92 2019-2-26 06:39:36 显示全部楼层
不错,谢谢分享。

ooppllmm519_526

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gbq0727_2778584 2019-2-27 13:20:37 显示全部楼层
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james_841972077

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谢谢分享。

Guava

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Guava 2019-3-11 10:05:57 显示全部楼层
谢谢分享。
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