在低侧电流检测中使用单端放大器：误差源和布局技巧

2021-08-17

在低侧电流检测中使用单端放大器：误差源和布局技巧

我们讨论了通用运算放大器的同相配置可用于低侧电流检测。受TI文章“如何为高性能、低侧电流检测设计布局 PCB ”的启发，本文试图进一步阐明在低电压下使用单端放大器时可能影响我们测量的误差来源。侧电流感应。

在低侧电流检测中使用单端放大器

低侧检测的主要优点是可以使用相对简单的配置来放大分流电阻器上的电压。例如，通用运算放大器的同相配置可以成为需要能够在消费市场领域竞争的成本敏感型电机控制应用的有效选择。

基于同相配置的电路图如图 1所示。

图1。

但是，这种低成本解决方案可能会受到多种不同错误来源的影响。为了准确测量电流，我们需要考虑任何可能影响电路敏感节点（例如放大器输入）的非理想效应。我们将在下面更详细地讨论这个问题。

微量电阻

一个重要的误差来源是与 R分流器串联出现的 PCB 走线的寄生电阻。由于 R shunt在毫欧范围内具有很小的值，任何与 R shunt串联的寄生电阻都会导致显着的误差。通过 R杂散对该寄生电阻进行建模，我们得到图 2 中的示意图。

图 2。

根据应用，I负载可高达数百安培。因此，即使是很小的 R杂散值也会产生相当大的误差电压 V error。该误差电压将被放大器的增益放大并出现在输出端。

由于铜电阻的温度系数相当高（约 0.4%/°C），R 的值会杂散，因此误差电压会随温度变化很大。因此，杂散电阻会在温度变化很大的系统中产生与温度相关的误差。为了减少误差电压V error，我们应该避免长走线以最小化R杂散。

值得一提的是，消除 R杂散误差的更有效解决方案是使用不同的放大器而不是同相配置。从图 2 中可以看出，同相配置具有单端输入。它检测节点 A 处相对于地的电压。然而，差分放大器具有差分输入并感测 R shunt两端的电压。这在图3中示出。

图 3。

差分放大器的传递函数由下式给出：

vout=R2/R1(vA−vB)=R2/R1Vshuntvout 

由于放大器的差分输入检测分流电阻两端的电压，PCB 走线的电阻不会产生误差。我们将在以后的文章中更详细地研究差分放大器配置。

耐焊性

另一个误差来源是与检测电阻串联的焊接电阻。这在图4中示出。

图 4。

在该图中，负载电流按红色箭头方向从左向右流动。垂直走线将分流电阻连接到放大器输入（In+ 和 In-）。因此，放大器感测 A 点和 B 点之间的电压差。感测电阻器的实际值将是 R shunt +2R焊料。焊接电阻可以在几百微欧的范围内。

误差变得很大，尤其是在使用小分流电阻器时。例如，对于 0.5 mΩ 分流电阻器和 I负载= 20 A，来自焊接电阻的误差可能高达 22%。为了解决这个问题，放大器输入应直接连接到分流电阻器而不是载流迹线。图 5显示了一个示例布局，可以提供更准确的结果。

图 5。

在这种情况下，有两对 PCB 焊盘：一对用于将 R分流器连接到负载，另一对用于将 R分流器连接到放大器输入。在大电流应用中，放大器吸收的电流 (I amp ) 远小于 I load。这就是为什么上述布局可以减少阻焊误差的原因。

为了更好地理解这种技术，让我们比较两种情况下的感测电压。对于图 4所示的布局，感测电压为：

vA−vB=(Rshunt+2Rsolder1)×(Iload+Iamp)

由于 I amp比 I load小得多，我们有：

vA−vB≈(Rshunt+2Rsolder1)×Iload=RshuntIload+2Rsolder1Iload

在这种情况下，误差为 2R焊料 2 I amp，它远小于等式 1的误差，因为 I amp远小于 I load。这种技术通常称为开尔文传感，可用于许多应用领域。它使我们能够准确测量阻抗。采用开尔文传感技术的其他一些 PCB 布局如图 7所示。

图 7.图片（改编）由TI 提供。

您可以在ADI 公司的“通过改进低值分流电阻器的焊盘布局优化高电流检测精度”中找到更复杂的开尔文连接布局示例。

您可能想知道图 5 和图 7中描述的三种布局中的哪一种可以实现更准确的测量？应该注意的是，这个问题很难回答，因为结果取决于您在设计中使用的电阻。在报告电阻的标称值时，不同的电阻制造商可能会使用不同的测量位置。

例如，如果电阻制造商测量了焊盘内部的电阻，则图 7(a) 中的布局可以为我们提供更准确的测量结果。

嘈杂的地面    

图 8显示了另一个错误来源：嘈杂的地面。

图 8。

我们讨论过，由于同相配置具有单端输入，因此它测量节点 A 处相对于地的电压。假设我们的电路板有一个专用的地平面。我们可以在非常靠近 R分流器的地方放置一个通孔，以将 B 点保持在系统地电位，并最大限度地减少 PCB 走线电阻的误差。另一个敏感节点是节点 C。任何耦合到节点 C 的信号都将被放大并出现在输出端。因此，我们还需要将节点 C 保持在地电位。

但是，假设接地有噪声，并且一些电流流过接地层，如图 8所示。这将导致节点 B 和 C 之间的电位差，而我们理想地期望它们处于相同的电位。

假设节点 B 保持在地电位，与地电流的电压差将出现在节点 C 并在输出端引入误差。为避免此错误，建议使用使节点 B 和 C 彼此非常靠近的 PCB 布局。

把它放在一起

图 9显示了一个考虑到上述因素的示例布局。此示例布局基于 SOT 23封装的运算放大器。

图 9。

请注意，开尔文连接用于检测分流电阻器两端的电压。另请注意，R 1和R分流器的接地侧彼此非常靠近。请记住，开尔文连接有几种不同的焊盘布局。您可能需要咨询电阻器制造商或进行一些实验来确定适合您设计的布局。

您可以在TI 的“如何为高性能、低侧电流感应设计布置 PCB ”中找到 X 2 SON 封装中运算放大器的布局示例。