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[问答] 如何进行电流检测放大器使用,以达到电压提升到可用水平?
2355 电流检测 放大器
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如何进行放大器设计和使用,以将它们之间产生的电压提升到可用水平?

通常两端小电压通常从数十或数百毫伏增加到零点几伏,通过在电流检测放大器分流作用下,能否得到很大提升,带集成增益设定电阻器的电流检测放大器应该是比较常见。看哪位大神可以指点一下?
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4 天前   评论 邀请回答 举报
4个回答
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。

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。

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。

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。

楼上几个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。


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。

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