电流检测放大器的基础知识，类型和设计指南

2020-06-11

电流检测放大器是专用放大器，其输出电压与在电源轨中流动的电流成比例。电流检测放大器也称为电流分流放大器，因为它在电源轨中使用了一个分流电阻器，当电流流过该电阻器时，它会提供一个小的电压降。该电压降由电流检测放大器转换并放大为较小的输出电压。您还可以签出ACS712，它也用于测量电流，但使用基于霍尔效应的传感器。

这些放大器是为特殊目的而设计的，因此，该放大器可以放大并联电阻两端的非常小的检测电压，通常在10至100 mV的范围内。电流检测放大器专为实现DC精度（例如，低输入失调电压）和高共模抑制比（CMRR）而设计。电流检测放大器可以测量在单个方向上流动的电流，也可以测量通过检测电阻器在两个方向上流动的电流。在这种情况下，如果放大器能够检测两个方向的电流，则称为双向电流检测放大器。

在本文中，我们将使用示例电路评估不同类型的电流检测放大器。

电流检测放大器和普通放大器之间的区别

普通放大器和电流检测放大器具有不同的规格，它们是为特定目的而制造的。运算放大器有很多类型，您可以阅读本文以了解流行的运算放大器IC及其应用。普通放大器无法放大很小的电压，并且CMRR低。另一方面，精密电流检测放大器可以检测和放大非常少量的电压，并且CMRR相对较高。

对于普通的差分放大器或标准运算放大器，电源连接在两个电源轨（Vcc和Vee）之间，并且这些放大器只能对位于电源轨后面或具有公共接地路径的信号进行操作。如果将外部电压施加到标准放大器的输入引脚中，则用过的电源轨的外部电压可能会触发内部ESD保护二极管，并可能导致大电流流过。

但是，电流检测放大器的设计方式是，尽管有低压电源轨（例如Vcc = 3.3 V和V  = 0V），但该放大器可以承受比提供的Vcc 高得多的引脚电压。放大器使用出色的电源路径协议进行操作。只要输入电压低于VCC，放大器就会更改其输入电源并从输入电压供电。

共模电压和CMRR

对于普通放大器和电流检测放大器而言，共模电压都是重要的参数。共模电压是施加在放大器两个输入两端的平均电压。该电压非常重要，因为运算放大器基于共模电压区分和产生输出的能力有限。普通运算放大器支持一小段共模电压，不适用于精密级电流感测操作。但是对于电流检测放大器，共模电压范围比放大器的实际电源电压要宽得多。例如，对于电流检测放大器，INA240能够在低至2.7V的电源上运行时支持-4V至+ 80V之间的共模电压。  

另一方面，CMRR，共模抑制比（CMRR）是差分增益与共模增益之比。对于理想的运算放大器，CMRR是无限的，但在实际电路中，其典型范围是80至100 dB。高CMRR表示共模信号将在测量值上反映多少。因此，对于电流检测放大器而言，它是一个重要的参数，因为它将在输出端反映出非常低的共模信号，从而为开拓普遍的电流检测能力提供了可能性。电流检测放大器具有较高的CMRR，并且可以检测较小的共模信号。CMRR还负责降低电流检测线上的噪声。 

如何使用电流检测放大器IC设计电路

假设采用12V 1A线路的设计，其中需要使用大电流检测电路。在这种情况下，一个电流检测电路可以使用内置电流检测放大器。但是在进行电路之前，需要为此选择一个电流检测放大器。

由于最大额定电流为1A，并且没有描述指定的负载，因此需要选择一个电流检测放大器，该放大器可在12V电源下工作，并且可以检测到超过1A的额定电流。正如讨论的那样，需要为低端或高端选择一些东西。在这种情况下，可以使用高端电流检测来检测故障或适当的短路状况。但是，低端电流检测也可以工作。我们将在本文后面讨论两者之间的区别。

 

由于负载可能是电容性或电感性的，可能会产生浪涌电流，因此可以将低值电阻器与专用电流检测放大器配合使用。对于该电路，可以使用LT6108，因为它可以在2.7V至60V的电压下工作。该放大器的CMRR也很高，高达125dB。因此，该放大器可以在12V电源下工作，并且可以检测到非常小的电流。

 

以上电流检测放大器电路是使用LT6108构建的。0.1欧姆电阻是感测电阻，在流过该电阻的电流期间会产生电压降。另一方面，IRF9640是由2N2700控制的开关MOSFETMOSFET。放大器可以将开关MOSFET关断为预设值。在上面的电路中，跨250mA产生一个跳变点。因此，如果流经电阻的电流超过250mA，则放大器将关闭负载MOSFET。但是，对于高于1A的跳闸电压，可以通过电流检测放大器INC引脚两端的分压器来设置目标值。电流检测放大器的OUTA引脚上的Vout可用于检查通过电流检测电阻的电流额定值。

上述电路也可以使用另一个电流检测放大器来构造，该电流检测放大器使用的电源电压范围大于12V，并且可以接受输入，而与电源电压无关。

带有应用电路的电流感应IC的类型  

低侧电流检测

如前所述，使用分流电阻器感测电流，并且根据分流电阻器的位置，电流感测技术会有所不同。低端电流测量使用。因此，创建活动负载的GND路径时，无论负载电流何时返回GND，总会流过分流电阻。在下图中，显示了低压侧电流测量电路。

 

以上电路是低压侧电流检测技术的实际示例。左图使用的是德州仪器（TI）的INA181电流检测放大器，并将输出提供给ADC，该ADC将以I2C协议提供数据。右图使用的是ADI公司的电流检测放大器AD8202。它正在感测电感负载的低压侧电流。

优点：

低压侧电流测量的优点是，易于实现，因为分流电阻两端的检测电压均以GND为基准。在这种配置中，由于分流电阻两端的压降较小，因此可以使用低压电流感测放大器。同样，由于检测到的电压低，可以忽略共模抑制。

缺点：

低端电流测量的主要缺点是负载会偏离参考地。这是由于在接地层中串联了一个分流电阻器引起的。由于接地参考断开，这种情况在负载与地面之间的短路情况下会变得很麻烦，因为分流电阻器无法检测到流过负载电路的电流很大。

高端电流检测

与低压侧电流检测相同，高压侧电流测量使用相同的分流电阻，但放置在电源和有功负载之间。在下图中，显示了高电流检测放大器电路。

 

以上电路是高端电流检测技术的实际示例。左图使用的是德州仪器（TI）的INA240，并将输出提供给ADC，该ADC将以I2C协议提供数据。右图使用的是ADI公司的LT6100。它与负载的保险丝一起检测高端电流。

优点：

高端电流测量比低端测量有两个优势。首先，它克服了无法检测到负载与地短路的低端电流检测的缺点。由于在电源平面中放置了一个分流电阻器，因此可以轻松检测负载和接地之间的短路情况。

其次，在该电路中，将负载放置在参考的适当接地中，如果使用ADC转换，则分流电阻器的差分输入可以检测出准确的负载电流，而无需额外的努力。

缺点：

但是高端电流测量技术需要很高的共模抑制性能，因为在分流电阻两端产生的小电压低于负载电源电压。

双向电流感测

 

双向电流检测电路使用一个简单的分流电阻，但放大器需要具有检测各种共模电压的能力。双向电流感测技术比低压侧和高压侧感测有些复杂。有多种方法可以检测双向电流。在某些情况下，例如上图，其中两个电流检测放大器INA300的连接方式将通过任何电流检测放大器以两种方式检测电流。该电路需要反极性保护以及一种开关技术，该技术将根据电路的极性来切换放大器的输出。

检测双向电流的其他方法是将输入电压用作参考，然后放大器感测跨接检测电阻的压降并将其与参考电压进行比较。如果下降电压高于已知参考电压，则下降方向为一个方向，而低于已知参考电压的下降电压为相反方向。

隔离电流检测

隔离电流感测技术使用适当的CT 变压器或霍尔效应感应，当电流流过变压器的另一个抽头时，在变压器的抽头中产生比例电压。

 

上图是使用隔离式电流互感器的电流检测放大器的另一个实际示例。它使用德州仪器（TI）的流行电流检测放大器INA199。

这就是电流感测放大器与不同电流感测技术一起使用的方式。