利用整合式雙向電流感測放大器，以高效率實作電流監測

越來越多應用需要快速準確地監測電流，包括自駕車、工廠自動化和機器人、通訊、伺服器電源管理，D 級音訊放大器，以及醫療系統。許多這些應用都需要進行雙向電流感測，但必須以最低成本高效地完成。

雖然可以利用一對單向電流感測放大器 (CSA) 來打造一個雙向 CSA，但這一過程可能會既複雜又耗時。其中需要使用不同的軌對軌運算放大器，將兩個輸出組合成一個單端輸出，或在微控制器上使用兩個類比數位轉換器 (ADC) 輸入，而這需要額外的微控制器編碼及機器週期。最後，在打造雙向 CSA 時，若利用兩個單向 CSA，再加上其他必要元件將兩者整合到雙向解決方案，這樣會耗用更多電路板空間，而且使用較多零件會降低可靠性，並提高存貨要求。最終的結果可能會超出成本和設計時程。

設計人員可以改用高速、精準的整合式雙向 CSA。他們可以選擇內建低電感分流器電阻的整合式雙向 CSA，打造出最精巧的解決方案；亦可選擇採用外部電流分流器的 CSA，讓設計與佈局選擇更具彈性。

本文將檢視雙向 CSA 的實作要求，以及採用整合度更高的方法時有何好處。接著介紹 STMicroelectronics、Texas Instruments 和 Analog Devices 的範例元件，包括重要的參數及與眾不同的特性。最後展示如何利用這些元件及其相關的參考設計／評估套件／開發套件，來開始進行設計，以及設計與實作的秘訣。

如何利用兩個單向 CSA

若利用兩個單向 CSA，則能以多種方式打造出一個雙向 CSA 電路 (圖 1)。左例中使用 Analog Devices 的 MAX4172ESA+T，此元件並未內建負載電阻，因此使用離散式元件 R_a 與 R_b。右例中，MAX4173TEUT+T 內建一個 12 kΩ 的負載電阻，以將電流輸出轉換成電壓。

圖 1：若利用外部負載電阻 (左) 或內部負載電阻 (右)，可實作出採用兩個單向電流感測放大器的雙向電流感測應用。(圖片來源：Analog Devices)

雖然不需要兩個負載電阻，但 MAX4173TEUT+T 電路在回授中加入一個 1 nF 電容，讓零件 B 的控制迴路達到穩定。在兩種情形中，來自兩個 CSA 的輸出電流，均是使用 MAX4230AXK+T 一般用途運算放大器結合在一起。

在這兩種方法中，零件數量均多於單一雙向 CSA 所需的零件數量。除了零件數量較多之外，電路板佈局也更為複雜，這是因為兩個單向 CSA 均必須放在 V_SENSE 電阻附近。

利用雙向 CSA 的應用範例

雙向 CSA 是一種多功能元件，可用於許多種應用。例如，兩個 CSA 能用於三相伺服馬達系統中，以判定所有三個相位的瞬時繞組電流，無需有關脈寬調變 (PWM) 脈衝相位或工作週期的任何其他運算或資訊 (圖 2)。

圖 2：在三相伺服馬達應用中，在感測電阻上可以為相位 1 (R_SENSEΦ1) 和相位 2 (R_SENSEΦ2) 連接兩個雙向 CSA，以產生代表第三相繞組電流的電壓。(圖片來源：Analog Devices)

根據克希何夫定律所述，前兩個繞組中電流的總和，和第三個繞組中的電流相等。電路利用兩個 MAX40056TAUA+ 雙向 CSA 來量測雙相電流，而此電流會在 MAX44290ANT+T 一般用途運算放大器中加總。由於所有三個放大器的參考電壓都一樣，因此會產生成比例的量測結果。

在另一個範例中，D 級音訊放大器是一種單一雙向 CSA，例如 Texas Instruments 的 INA253A1IPW，此放大器能用於準確量測揚聲器的負載電流 (圖 3)。

圖 3：在 D 級音訊設計中，雙向 CSA (INA253) 能用於進行揚聲器的強化與診斷。(圖片來源：Texas Instruments)

揚聲器負載電流的即時量測能用於診斷目的，並藉由量化關鍵揚聲器參數和這些參數的變化，使放大器達到最佳效能。這些參數包括：

• 線圈電阻
• 揚聲器的阻抗
• 諧振頻率和諧振頻率下的峰值阻抗
• 揚聲器的即時環境溫度

板件佈局秘訣與電流分流器考量因素

在實作電流感測電路時，寄生電阻與電感是一個隱憂。此外，多餘焊料和寄生走線電阻會造成感測誤差。常用元件是四端子電流感測電阻。如果不能選擇四端子電阻，應使用開爾文電路板佈局技術 (圖 4)。

圖 4：開爾文感測走線應盡可能靠近電流感測電阻上的焊接觸點墊片。(圖片來源：Analog Devices)

若將開爾文感測走線盡可能放在電流感測電阻的焊接觸點附近，則能徹底減少寄生電阻。當開爾文感測走線間距較寬時，額外的走線電阻便會導致量測誤差。

感測電阻的挑選，是徹底減少寄生電感的一個重要層面。由於電壓誤差與負載電流呈比例，因此應將封裝電感降到最小。一般來說，繞線式電阻的電感值最高，標準金屬膜元件的電感值為中等。對於電流感測應用，一般建議使用低電感金屬膜電阻。

分流器電阻的值，需要在動態範圍和功率耗散之間進行取捨。對於高電流感測，建議使用低值分流器徹底降低熱耗散 (I²R)。而在低電流感測時，較高的電阻值能用來徹底降低偏移電壓對感測電路的影響。

多數 CSA 都仰賴外部電流分流器來量測電流，但也有一些 CSA 採用內部電流分流器。雖然使用內部分流器能產生尺寸更小、所用元件更少的設計，但是也會有一些相關的利弊權衡，包括因預先設定的分流器值而使彈性更小、需要的靜態電流高於外部分流器 CSA，而且可量測的電流量受到內部分流器能力的限制。

高電壓精密雙向 CSA

藉由 STMicroelectronics 的 TSC2011IST，設計人員能利用其精密功能來使用低電阻外部電流分流器，將功率耗散降到最低 (圖 5)。這款雙向 CSA 可在以下應用中提供精密的電流量測，例如數據採集、馬達控制、電磁閥控制、儀器、測試與量測，以及流程控制。

圖 5：TSC2011IST 內含一個關斷引腳 (SHDN)，以實現最大的節能效果，工業運作溫度則介於 −40°C 至 125°C。(圖片來源：STMicroelectronics)

TSC2011IST 的放大器增益為 60 V/V，並具備整合式電磁干擾 (EMI) 濾波器，以及 2 kV 人體放電模式 (HBM) 靜電放電 (ESD) 容差 (根據 JEDEC 標準 JESD22-A114F)。TSC2011 可以偵測到低至 10 mV 滿量程的壓降，以提供一致的量測結果。增益頻寬乘積為 750 kHz，迴轉率為 7.0 V/µs，共同確保高準確度且快速反應。

設計人員可以利用 STEVAL-AETKT1V2 評估板，透過 TSC2011IST 快速開始作業 (圖 6)。TSC2011IST 能在 -20 V 至 +70 V 的廣大共模電壓範圍下感測電流。TSC2011IST 的特點如下：

• 增益誤差：最大值 0.3%
• 偏移漂移：最大值 5 µV/°C
• 增益漂移：最大 10 ppm/°C
• 靜態電流：關斷模式下 20 µA

圖 6：STEVAL-AETKT1V2 評估板包括主板和子卡，子卡內置有 TSC2011IST。(圖片來源：STMicroelectronics)

內部分流器雙向 CSA

Texas Instruments 的 INA253A1IPW 整合一個 2 mΩ、0.1% 低電感電流分流器，並支援高達 80 V 的共模電壓 (圖 7)。INA253A1IPW 為設計人員提供強化的 PWM 拒斥電路，以抑制大型 dv/dt 訊號，進而能針對馬達驅動器和電磁閥控制等應用，進行即時連續的電流量測。內部放大器具有精密的零漂移拓撲，而且在 50 kHz 下，共模拒斥比 (CMRR) 超過 120 dB DC CMRR 和 90 dB AC CMRR。

圖 7：所示為典型應用的 INA253A1IPW 雙向 CSA，內置有電流分流器，並能在 –40°C 至 +85°C 的溫度範圍下，量測 ±15 A 的連續電流。(圖片來源：Texas Instruments)

設計人員利用相關 INA253EVM 評估板上的測試點，來存取 CSA 的功能引腳，即可加速開發以 INA253A1IPW 為基礎的系統設計 (圖 8)。這款雙層板的尺寸為 2.4 × 4.2 in，以 1 oz 銅材製成。

圖 8：雙層 INA253EVM 的尺寸為 2.4 × 4.2 in，以 1 oz 銅材製成。底層沒有元件，但有一個實心銅接地面，為回流電流提供一個低阻抗路徑。(圖片來源：Texas Instruments)

電路板上包含最少的支援電路，功能可以按需求進行重新配置、移除或旁路。INA253EVM 提供以下特點：

• 三個 INA253A1IPW 元件
• 輕鬆取用所有引腳
• 板件佈局和結構支援在 –40°C 至 +85°C 完整溫度範圍下，讓 ±15 A 電流流過 INA253 CSA
• 電路板上預留固定座，以供進行預設配置之外的配置

底層沒有元件，但有一個實心銅接地面，為回流電流提供一個低阻抗路徑。

AEC-Q100 認證的雙向 CSA

要在全橋馬達控制、切換電源供應、電磁閥，以及電池組與汽車應用中監測電流，設計人員可以使用 Analog Devices 的 LT1999IMS8-20#TRPBF (圖 9)。

圖 9：LT1999IMS8-20#TRPBF 是一種雙向 CSA，可用於全橋電樞電流監測應用。(圖片來源：Analog Devices)

LT1999IMS8-20#TRPBF 通過 AEC-Q100 認證，能用於汽車應用，並包含關斷模式，以徹底降低功耗。此元件使用一個外部分流器，來量測電流的流向與流量；亦會產生呈比例的輸出電壓，並在電源電壓和接地中間作為參考電壓。設計人員可選擇施加外部電壓，以設定參考位準。

當 V_SHDN (引腳 8) 被驅動至接地 0.5 V 之內時，LT1999IMS8-20#TRPBF 會進入低功率關斷狀態，汲取大約 3 μA 的電量。如果在 0 V 至 80 V 之內發生偏壓 (未施加差動電壓)，輸入引腳 (+IN 和 –IN) 會汲取大約 1 nA 的電量。透過一個內部一階差動低通 EMI 抑制濾波器，可減小 EMI 的影響；此濾波器能幫助拒斥超出元件頻寬的高頻訊號。

為了利用 LT1999 系列進行實驗，Analog Devices 提供 1698A 展示板。此板件可放大板載電流感測電阻兩端的壓降，能產生一個雙向輸出電壓，並且與流經電阻的電流呈比例。設計人員有三個固定增益選擇，即 10 V/V (DC1698A-A)、20 V/V (DC1698A-B) 和 50 V/V (DC1698A-C)。

具有 PWM 拒斥能力的雙向 CSA

對於控制著電磁閥和馬達等電感式負載的設計，如果想改善共模輸入 PWM 邊緣的拒斥能力，設計人員可使用 MAX40056TAUA+ (圖 10)。之前在圖 2 的狀況中提過，MAX40056TAUA+ 是一種雙向 CSA，能處理 ±500 V/µs 及更高的迴轉率。此產品的典型 CMRR 為 60 dB (50 V，±500 V/µs 輸入)，以及 140 dB DC。共模範圍介於 -0.1 V 至 +65 V，並能防禦低至 -5 V 的電感式反沖電壓。

圖 10：MAX40056TAUA+ 包含內部 1.5 V 參考電壓、更強的 PWM 拒斥能力，以及整合式內部窗型比較器，以偵測正負過電流狀況 (左下，由 CIP 輸入驅動)。(圖片來源：Analog Devices)

此 MAX40056TAUA+ 具有內部 1.5 V 參考電壓，此電壓可用於許多用途，包括：

• 驅動差動類比數位轉換器
• 抵銷輸出，顯示所感測電流的流向
• 將電流供應至外部負載，減緩效能下降

當較高的滿量程輸出擺盪有所幫助時，或針對高於 3.3 V 的供應電壓，設計人員能以較高的外部參考電壓來覆蓋內部參考電壓。最後，設計人員可以使用內部或外部參考電壓，來設定整合式過電流比較器的跳脫閾值，並針對過電流故障立即發出訊號。

MAX40056TAUA+ 的 MAX40056EVKIT# 評估套件為設計人員提供一個經過驗證的平台，有助於開發高精度、高電壓雙向 CSA 應用，例如電磁閥驅動器和伺服馬達控制。

結論

從汽車、工廠自動化和機器人，一直到伺服器電源管理、D 類音訊放大器與醫療系統，許多應用都需要快速準確地監測電流。許多情況下都需要進行雙向電流感測。

幸運的是，設計人員可以從眾多整合式雙向 CSA 及相關開發平台中進行選擇，快速高效地實作迅速準確的雙向電流監測。

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