超精準(zhǔn)電流檢測(cè)放大器提升效率并擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍

1、超精準(zhǔn)電流檢測(cè)放大器大幅度地提升了效率並擴(kuò)展了動(dòng)態(tài)範(fàn)圍 設(shè)計(jì)要點(diǎn) 423Jon Munson引言在許多電子繫統(tǒng)中，準(zhǔn)確的電流測(cè)量是必不可少的。電流通常是通過放大其在一個(gè)小值電阻兩端產(chǎn)生的電壓來(lái)測(cè)量的。對(duì)於那些需要一個(gè)大動(dòng)態(tài)測(cè)量範(fàn)圍的繫統(tǒng)，必須增大檢測(cè)電阻或改善放大器的精度。增大檢測(cè)電阻器的阻值會(huì)產(chǎn)生不利的影響，就是功耗將增加。更好的選擇是提高檢測(cè)放大器的精度。放大器的精度在很大程度上取決於放大器的輸入失調(diào)電壓。一直以來(lái)，市面上的電流檢測(cè)放大器所提供的輸入失調(diào)電壓性能大約為幾百 µV 甚至幾千 µV。當(dāng)采用此類器件時(shí)，實(shí)現(xiàn)一個(gè) 8 至 10 位的實(shí)際動(dòng)態(tài)範(fàn)圍有可能需要消耗 1

2、W 的功率 (在滿工作電流條件下)。 LTC®6102 超精準(zhǔn)電流檢測(cè)放大器把輸入誤差降至微小的 10µV。這一大幅度的性能提升將直接轉(zhuǎn)化為測(cè)量動(dòng)態(tài)範(fàn)圍的擴(kuò)大 (即使在降低檢測(cè)電阻器功耗的情況下也能達(dá)到 16 位)，從而極大地?cái)U(kuò)展了電流檢測(cè)設(shè)計(jì)可選方案的範(fàn)圍。輸入電壓由檢測(cè)電阻器產(chǎn)生，放大器的電壓增益由輸入和輸出電阻器來(lái)設(shè)定?？倱Q算公式即為：VOUTR=ILOADRSENSEIN小負(fù)載電流條件下的準(zhǔn)確度主要由輸入失調(diào)電壓 VOS來(lái)設(shè)定。因 VOS 而引起的電流測(cè)量誤差 IOFFSET 由下式得出：IOFFSET=SENSEVOS可見，對(duì)於一個(gè)給定的電流失調(diào)準(zhǔn)確度要求，當(dāng) V

3、OS 很低時(shí)，可以相應(yīng)地減小 RSENSE ( 在許多應(yīng)用中可減小至 m 以下)。在大多數(shù)應(yīng)用中，應(yīng)選擇電路增益，以使 VOS 在模數(shù)轉(zhuǎn)換 (ADC) 采集繫統(tǒng)中轉(zhuǎn)化為約 1LSB (最低有效位)。動(dòng)態(tài)範(fàn)圍是由 ADC 所能處理的最大信號(hào)幅度以及 RSENSE 電阻器的允許功耗來(lái)決定。我們來(lái)比較兩個(gè) 8 位檢測(cè)放大器解決方案，一個(gè)采用的是 VOS = 500µV 的典型放大器，另一個(gè)采用的是 LTC6102 (其 VOS = 10µV)。兩者的分辨率均為 20mA。失調(diào)較高的那個(gè)器件需要一個(gè)至少 25m 的檢測(cè)電阻器，而 LTC6102 則僅需 500µ。在 5A

4、 電流條件下 (對(duì)於本例而言，這幾乎就是全標(biāo)度電流)，當(dāng)采用失調(diào)較高的那個(gè)器件時(shí)，RSENSE 功耗為 625mW，而采用 LTC6102 時(shí)則只有 13mW，功耗降幅達(dá) 98%。印刷自己特有的檢測(cè)電阻器利用 LTC6102 所提供的超低檢測(cè)電阻能力，可以把印刷電路金屬箔片本身用作實(shí)際的檢測(cè)元件。采用一盎司銅的電路板具有 500µ/square 的標(biāo)稱表面電阻率。該數(shù)值將隨著銅箔厚度的增加和減少而分別成比精度的提升換取了效率的改善LTC6102 很容易連接，如圖 1 所示。LOADV圖 1： 采用 LTC6102 的超精準(zhǔn)電流檢測(cè)11/07/423例地下降和上升。一根寬度為 W、長(zhǎng)度

5、為 L (采用任何相同的單位) 的印制線具有以下電阻： RSENSE500µLW電阻器的長(zhǎng)度就是沿著印制線的開爾文 (Kelvin) 抽頭之間的間隔。一盎司銅箔每密耳 (mil) 印制線寬度通常能夠傳輸高達(dá)約 100mA 的電流 (即：4A/mm )，這限制了電阻器結(jié)構(gòu)的最小尺寸。另一個(gè)限制因素是可重復(fù)性，因此面積越大越好。歸根結(jié)底，銅箔的厚度容限和溫度繫數(shù)將限制印刷電阻器所能擁有的準(zhǔn)確度。圖 2 示出了前文所述的 5A 電路實(shí)例的印刷結(jié)構(gòu)。在該布局中，L/W 因子被設(shè)定為 1 (因?yàn)?RSENSE = 500µ)，而尺寸則主要由印刷電路蝕刻工藝的準(zhǔn)確度來(lái)確定。采用銅箔作為

6、檢測(cè)電阻意味著電路的尺寸調(diào)整幾乎與絕對(duì)溫度成比例，在室溫條件下約為 +0.4%/°C。在通過監(jiān)視電流來(lái)提供過載保護(hù)的應(yīng)用中，利用溫度繫數(shù)可能很方便，因?yàn)樵谳^高的溫度條件下，一個(gè)固定的保護(hù)門限將自動(dòng)地對(duì)應(yīng)於較低的電流。為了獲得穩(wěn)定的測(cè)量結(jié)果，可以采用一種軟件校準(zhǔn)和溫度校正方法，也可采用一個(gè)基於銅的電阻器 RIN 來(lái)對(duì)溫度系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，例如一個(gè)具已知電阻特性的小表面貼裝電感器 (>10 的產(chǎn)品市面上有售，比如：Vishay IMC 繫列)。CURRENT CARRYING TRACE設(shè)計(jì)提示和細(xì)節(jié)如果您不印刷自己特有的檢測(cè)電阻器，而是需要現(xiàn)售元件的準(zhǔn)確度，那麼一定要指定四線式 (K

7、elvin) 檢測(cè)電阻器，以獲得最佳的結(jié)果。這種電阻器的設(shè)計(jì)使得電阻在檢測(cè)抽頭之間得到精確的校準(zhǔn)，從而消除了由負(fù)載通路中的焊接電阻所造成的誤差。當(dāng)對(duì)微伏 (µV) 級(jí)信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量時(shí)，因不同金屬互連所導(dǎo)致的雜散熱電偶效應(yīng)的實(shí)際發(fā)生可能性將有所增加。圖 1 示出了采用一個(gè)通常與 RIN 相等的 RIN+ 時(shí)的情形。增設(shè)該電阻器的目的是給兩個(gè)放大器輸入提供相同的冶金條件，以最大限度地減輕熱電偶效應(yīng)，並實(shí)現(xiàn) DC 偏置電流失衡的最小化。應(yīng)選擇合適的 RIN 數(shù)值，以在峰值測(cè)量電流 IPEAK 條件下傳導(dǎo)約 500µA 的電流。RIN 上的電壓降與 RSENSE 上的電壓降相等，

8、於是： RINIR0.0005總體電路的增益準(zhǔn)確度主要由所使用電阻器的質(zhì)量來(lái)確定。這使得設(shè)計(jì)師能夠在每種特定的應(yīng)用中進(jìn)行成本與性能折衷方案的優(yōu)化。為了最大限度地減小 LTC6102 反饋環(huán)路中的銅損誤差，使反相檢測(cè)輸入 (INS) 和反相反饋接線 (INF) 保持分離，這樣就能夠形成至 RIN 的開爾文連接。在圖 2 所示的推薦布局中也可以看到該接線。圖 2 示出了連接至 RSENSE 的負(fù)載側(cè) V+ 接線，而圖 1 則示出了至電源側(cè)的對(duì)應(yīng)接線。不管在哪一種配置中，LTC6102 都將正常工作。差異之處是圖 2 所示的接線還將包括測(cè)量負(fù)載電流中的 LTC6102 靜態(tài)電源電流 (典型值為 30

9、0µA)。支持 4V 至 100V 的電源電壓。OUTPUTR500µ結(jié)論LTC6102 是業(yè)界精度最高的電流檢測(cè)放大器。出色的準(zhǔn)確度實(shí)現(xiàn)了 RSENSE 電阻值的大幅下降，從而改善了效率、動(dòng)態(tài)範(fàn)圍和電流處理能力。DN423 F02圖 2：采用印刷檢測(cè)電阻的 LTC6102 布局產(chǎn)品手冊(cè)下載如要獲得更多資料或技術(shù)支持，請(qǐng)與我們的銷售部或當(dāng)?shù)胤咒N商聯(lián)絡(luò)，也可瀏覽我們的網(wǎng)址： 或電郵到 info駿龍科技有限公司Cytech Technology Ltd.香港電話：(852) 2375-8866北京電話：(86) 10-8260-7990上海電話：(86) 21-6440-137

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