测量微安至安培级电流，或将功耗降低 99%，由你定！

Brendan J. Whelan

引言

任何工业或汽车监视/控制系统都需要但却常常忽视的一个部分是电流检测电路，该电路能够在整个负载范围内保持准确度。很多应用采用仅能提供中等精确度和动态范围的电路。在很多情况下，电流检测解决方案非常不充分，分辨率低，检测电阻功耗很大。LTC6102 解决了这两个问题，同时通过一套全面的电流检测功能提高了性能。

为什么采用高压侧检测？

在很多应用中，检测负载以地为基准。在这些系统中，最简单的电流测量方法是低压侧检测，即在负载和系统地（图 1）之间加上一个小的检测电阻。几乎任何放大器都可以用来放大检测电压，而且无需电平变换。

图 1：典型高精确度低压侧电流检测

低压侧检测尽管简单，但是有几个固有的问题。首先，检测电阻影响负载上的返回电压，返回电压现在是系统地电平与检测电阻电压之和。负载现在浮置在系统地之上，浮置幅度为检测电压，检测电压值可能很大，一个具有一定精确度的传统低压侧电流检测电路需要 100mV 左右或高于 100mV 的电压。

当然，随着负载电流改变，检测电压也相应变化，因此会影响从负载端看过去的地电平。移动的地基准根本就不是基准，会导致负载误差和极大的噪声。瞬态负载电流可能给负载带来极大的地噪声，从而降低了监视系统性能，并将噪声直接注入了负载。

其次，由于屏蔽，负载和地之间可能存在耦合。这种耦合可能改变检测电阻的有效电阻，尤其是有效电阻会随着频率变化，因此降低了系统性能。

最后，安全性可能受到影响。如果检测电阻失效或断接，负载的地节点就被激励到整个电源电压了。这有安全风险，因为该节点通常连接到地，而现在保持在危险的电平上。已经发生这类故障的迹象也许不明显，因此可能假定负载的接地端保持在安全电压上。连接到负载接地侧的低压电路也可能被损坏，因此需要额外的修理工作和费用。

高压侧检测消除了这些问题，允许系统负载安全可靠地以地为基准。可以测量负载高压侧相对地的电压，而不会引入检测电阻噪声。检测电阻可以得到更仔细的控制。最重要的是，检测电阻失效断接了负载和电源，而不是地，因此确保了安全。

那么，为什么没有更经常地使用高压侧检测？问题是，缺乏简单性使这些优点不那么突出了。首先，具有高压瞬态的高电源电压需要坚固的监视电路。其次，检测电压必须准确转换到地。LTC6102 轻而易举地解决了这两个问题，同时增加了额外功能以最大限度提高准确度和灵活性。

解决动态范围问题

测量大负载电流不需要什么高超的技术，但是准确监视同一条线上的大电流和小电流，或分辨大负载电流的微小变化，却需要具有宽动态范围的监视电路。例如，一个一般以 1A 运行但负载动态范围高达 100A 的系统就需要至少 40dB 的动态范围，以实现准确测量。如果典型负载电流必须以 1% 的准确度测量，那么需要 80dB 的动态范围。如果负载电流范围为 1mA 至 100A，那么计算总电池充电电流的电池系统需要 100dB 或更大的动态范围!

就很多电流监视电路而言，动态范围的高端受限于电流检测放大器的最大输入电压，对于集成的高压侧电流检测放大器，最大输入电压通常规定在 100mV 至 500mV。在低端，输入失调电压限制分辨率。就很多可用集成电路而言，VOS 可能大于 1mV，因此动态范围为 40dB 至 50dB，这对很多系统来说是不充分的。分辨率随着温度变化会进一步降低，因为输入失调可能有很大漂移。

LTC6102 解决了这个问题，它的最大失调电压为 10uV，漂移低于 50nV/oC。该器件的最大输入电压为 2V，因此动态范围为 106dB，最小分辨率为 10uV。简言之，这允许一个系统测量 1mA 至 200A 的电流，而不改变增益或超出额定界限。采用 LTC6102 的电流检测电路可以非常容易地设计成提供高精确度并同时考虑到暂时的电流浪涌或压降。这允许更准确地计算充电终止时间并全面提高可靠性。

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不需要大动态范围？用动态范围换取低功耗

如果你不需要测量大的电流范围，那么 LTC6102 的内置动态范围允许使用非常低阻值的电阻。减小检测电阻的值可以直接降低功耗。

例如，必须测量 1A 至 100A 电流的系统只需要 40dB 的动态范围。然而，如果使用了输入失调为 1mV 的检测放大器，那么最大检测电压必须低于 100mV。在 100A 时，这意味着检测电阻消耗 10W 功率。在功耗这么高的情况下，要获得准确的电阻值，可能需要大而昂贵的定制检测电阻和散热器。系统还必须设计成提供额外的 10W 功率，另外系统还必须有效散出产生的热量。

不过，如果这一电流测量采用 LTC6102 进行，那么最大检测电压可以降至 1mV，而不会降低性能。实际上，与其他解决方案相比，LTC6102 的低漂移允许在整个温度范围内提高精确度。同时，功耗降至 100mW，即检测电阻功耗降低了 99%，这极大简化或去除了热设计需求。

图 2 显示了负载为 1A、10A 和 100A 时动态范围随功耗的变化。每条线都代表一个固定电流。通过调节检测电阻（RSENSE）值优化动态范围和功耗。图中说明了检测电阻极限。利用可用检测电阻值非常容易调节电路性能。动态范围是检测电阻上的最大电压和 LTC6102 输入失调的比，而功耗是检测电阻电流为所列值时的功耗。

图 2：动态范围与 RSENSE 的最大功耗

精确的电平变换

与很多专用应用的电流检测放大器不同，LTC6102 的架构类似于标准运算放大器。其设计包括高阻抗输入和外部反馈以及低输入失调。这允许 LTC6102 用在各种电压放大电路以及电流检测应用中。由于其固有的电平变换功能，LTC6102 可以放大多种信号，同时抑制共模分量。

图 3 所示是一个放大电压信号的电平变换电路。LTC6102 将输入电压复制到 RIN 上，然后再转换到 ROUT 上。注意，在这个电路中，LTC6102 的电源引脚连接到输入信号的负端，这很重要。两个输入引脚与电源引脚相差几微伏之内，因此输入电压可以超过 LTC6102 的满标度输入范围，而不会给输出引入误差。只要通过 RIN 的电流 VIN/RIN，不超过 LTC6102 的最大输出电流，这个电路就工作。如果 RIN = 10kΩ，那么输入电压可能高达 10V。增益仍然由 ROUT/RIN 设置，因此可以选择放大或衰减，以允许输入信号被转换成有用的输出信号。

图 3：电平变换

简单灵活的设计

LTC6102 的高精确度和宽动态范围只是“冰山一角”。丰富的功能使这个器件对很多应用来说非常容易使用，而且是坚固和灵活的。

宽电源范围

LTC6102 规定在 4V 至 60V 工作，并能耐受 70V 电源。LTC6102HV 规定在高达 100V 时仍然工作，最大 105V。另外，只用几个外部组件就可以将工作电压提高到几百伏或更高，而不会损失精确度（图 4）。

图 4：简单的 500V 电流监视器

高阻抗输入

电流控制型检测放大器具有几微安的输入偏置电流，与此不同，LTC6102 具有 <100pA 的输入偏置电流，从而允许测量非常小的电流。

简单、灵活的增益控制

LTC6102 的增益可以用两个外部电阻设置。增益误差仅受这些外部组件限制，而不受规定值欠佳的内部电阻或饱和电压限制。外部输入电阻允许较宽的增益选择以及控制输入和输出阻抗。例如，选择小的输入电阻允许以相对小的输出阻抗实现高增益，从而降低了噪声，并使没有附加缓冲时驱动 ADC 更容易。

开漏输出

开漏输出提高了灵活性和性能。没有内部下拉电路，最低输出电压不受饱和电压限制，因此输出可以一直驱动到地。输出还能以高于地的电压为基准，简单地将输出电阻连接到这个电压上就行了。检测电路物理上可以放置在远离 ADC 的地方，而不会由于长输出线的电阻而损失准确度。输出还可以共发共基放大结构 (cascoded) 来实现附加电平移位。

高速度

LTC6102 可以支持高达 200kHz 的信号，允许监视快速变化的负载电流。高速度还允许 LTC6102 在负载瞬态后快速稳定，提供一致的精确度。

快速响应

保护电路常常必须在几微秒的时间内作出反应，以避免出现故障时系统或负载损坏。LTC6102 可以在 1us 时间内响应输入瞬态。然后，输出信号可能被用来在系统出现损坏之前断开 MOSFET 通路器件或接通负载保护电路。

开尔文输入

印刷电路板上的铜走线电阻加到 RIN 上，产生漂移为 0.4%/oC 的增益误差。通过非常靠近 RIN 连接 CINS，可以最大限度地减小铜线影响，因此可能使用非常小（1Ω 或更小）的输入电阻。小的输入电阻允许以相对小的输出阻抗实现高增益。减轻寄生串联电阻的影响也有助于保持大的动态范围，甚至输入电阻相对大时也一样。

尺寸小

今天的应用不仅要求精确，还需要尽可能小的封装。为了满足这种需求，LTC6102 采用 3mm x 3mm DD 封装，所需电路板面积不多于 SOT-23。在空间不是如此宝贵或希望使用有引线封装的应用中，还可以使用采用 8 引线 MSOP 封装的 LTC6102。

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应用

图 5 所示是一个简单的电流检测电路。RSENSE 将负载电流转换成检测电压。LTC6102 的增益为 249.5，将信号电平从正电源移位到地。通过设置大的最大检测电压（VSENSE），可以选择检测电阻值，以最大限度扩大动态范围，或者通过选择较小的值来限制功耗。开尔文输入和非常低的输入失调使得高增益成为可能，开尔文输入允许使用小的输入电阻，具有小的增益误差，而低输入失调在输出端产生低于 2.5mV 的误差。小的输入电阻允许 ROUT 设置为 4.99kΩ，这对与高分辨率转换器输入兼容来说已经足够小了。增加 LTC2433-1 是一种简单的转换所得结果的方法。

图 5：具 10mA 分辨率和 100mW 最大功耗的 10A 电流检测

就受到电气干扰的系统而言，或就远端传感器而言，可以在 ROUT 上跨接一个电容器，以对输出滤波，从而降低噪声和高频干扰（图 6）。这给输出增加了一个简单极点，但不会影响 DC 结果。在远端检测时，LTC6102 应该放置在传感器附近，输出可能经过很长一段距离到达转换器。既然输出是电流，而不是电压，在连线中就没有损耗。输出电阻和电容器应该放置在连线的处理器端，以降低噪声并确保准确度。

图 6：用简单噪声滤波器进行远端电流检测

结论

很多电流检测应用都从高压侧检测方法中获得了切实的益处。高压侧电流检测电路必须能够在由电源范围决定的高压上工作，甚至在出现故障时也一样，而且通常必须将信号电平移位到地或另一个基准电平。检测电路必须完成这些任务，同时保持信号的精准度。零漂移电流检测放大器 LTC6102 具有精确度最高的 DC 性能规格。宽电源范围、低输入失调和漂移、准确的增益、快速响应和简单的可配置性使 LTC6102 和 LTC6102 HV 非常适用于多种电流检测应用。

如需完整的电流检测应用指南，请访问网址：www.linear.com.cn/currentsense。