有效選擇並應用電流感測放大器來加強電源管理

電源完整性和控制對於可攜式、物聯網和汽車裝置和系統而言是相當重要的，因為線路或電池供電的電子裝置需要透過監控電源供應器的電流來控制配電。電流感測是延長電池續航力、防止過電流狀況、監測接地故障和最佳化電源控制的關鍵所在。問題在於如何達到準確的量測結果，即便在共模電壓較高的情況下也能如此。

電流感測放大器 (CSA) 或電流分流監控器都是差動放大器 IC，是專為執行此重要量測所設計。電流量測所依據的原理是：計算串聯之分流電阻兩端間的壓降，而這些分流電阻則是作為電流感測器。選擇和放置這些分流器和相關的電流感測放大器，對於取得合適的配電和效率相當重要。

本文將根據準確度的要求和成本，說明分流器和電流感測放大器的選擇標準。

電阻電流感測

最簡單的電流測量技巧就是插入一個小電阻 (也稱為電流分流器)，並使其與待測電流串聯。接著測量電流感測電阻兩端間的電壓，並根據已知的電阻值，按照歐姆定律計算電流。這個方法的優點為簡便、成本低且符合線性模式。

選擇電流感測電阻時必須注意電阻的準確度、電阻溫度係數 (TCR) 和額定功率。電阻值決定了在給定電流值下，電阻兩端間的壓降；也決定了感測電阻所消耗的功率。感測電阻的值通常會少於 1 Ω，而且有針對此種應用提供的專用電阻。這些電阻使用的金屬元件，其形式為板狀、箔片或薄膜，或者是沉積的薄膜或厚膜型混合元件。

Ohmite 的 MCS3264R005FEZR 電流感測電阻，即是金屬元件表面黏著型分流電阻的一個例子 (圖1)。此種表面黏著元件 (SMD) 為一個雙端子 5 mΩ 電阻，額定功率為 2 W，TCR 為 50 ppm/°C。

圖 1：Ohmite 的 MCS3264R005FEZR 是金屬元件表面黏著的 5 mΩ 分流電阻。(圖片來源：Ohmite)

分流電阻也提供四端子 (Kelvin) 配置。在 Kelvin 的連接配置中，電流供應至一對來源連接端子。在緊鄰分流電阻處建立了兩個額外的感測連接 (電壓引線)。放置電壓引線可避免發生與來源引線或觸點相關的壓降。由於幾乎沒有任何電流是流向測量儀器，因此感測引線中的壓降可予以不計。Ohmite 的 FC4TR050FER 是一個 50 mΩ、四端子的金屬箔片電流分流器例子。

請記住，由於電阻溫度係數的關係，感測電阻的值會隨溫度而變化。選擇 TCR 較低的電阻、使用高額定功率的電阻，或採用散熱片等，都可將溫度效應導致的電阻變化減至最低。

電流感測放大器

電流感測放大器是專用型積體電路差動放大器，其用途是感測在電流分流器上所產生的電壓，並輸出與測量電流成比例的電壓。電流感測電阻兩端間的電壓通常在 1 至 100 mV 的範圍內，但可能取決於標稱的匯流排電壓電位。CSA 的設計具有高共模拒斥比 (CMRR)，可消除來自輸出的匯流排電壓。這些元件的設計是為了處理超過本身供電電壓的共模電壓。

圖 2 的電流感測放大器線路圖已經過簡化，本圖顯示了一個搭配反相輸入和非反相輸入，以及一個單輸出的典型差動放大器。

圖 2：典型電流感測放大器的簡化線路圖。其增益值取決於電阻 R2 對 R1 和 R4 對 R3 的比例值。(圖片來源：DigiKey)

電阻值決定了 CSA 的增益。其結構為對稱式，即 R1 = R3 且 R2 = R4。此增益值取決於電阻 R2 對 R1 和 R4 對 R3 的比例值。在典型 CSA 施作中 (例如 Texas Instruments 的高效能 INA210CIDCKR)，R2 和 R4 為 1 MΩ，R1 和 R3 為 5 KΩ，增益即為 200 V/V。對於這個版本的放大器，增益準確度為 0.5％。此 IC 的額定供電電壓為 2.7 V 至 26 V，但無論供電電壓為何，最大共模輸入電壓為 -3 V 至 26 V。這是一個可區分 CSA 的重要特性。輸入偏移電壓僅為 35 µV，而 CMRR 通常為 140 dB。

更具經濟效益的 CSA 選擇可能是 Texas Instruments 的 INA180B3IDBVR，端視應用而定。此 CSA 具有相同共模輸入電壓範圍，可提供的增益為 20 V/V、50 V/V、100 V/V 和 200 V/V。增益準確度為 1％，而 CMRR 為 100 dB，輸入偏移電壓則為 100 µV。

電流感測配置

電流感測拓撲有兩種：高側感測和低側感測。高側配置將感測電阻放在電壓源和負載之間，而低側感測則將分流器放在負載和接地之間 (圖3)。

圖 3：高側感測將分流器 (R_SENSE) 放在電壓源和負載之間，而低側感測則將其放在負載和接地之間。(圖片來源：DigiKey)

低側感測具有接地參考，其輸入共模電壓較低。這樣可以更容易地在電流監測放大器和相關電路上執行作業，通常也可使成本降低。

低側連接的缺點在於它將負載提升到接地之上。當電流值變化時，電流會流經分流電阻，使系統參考水平升高或降低。這可能導致控制迴路出現問題。此外，在該電路配置中，不能偵測到分流電阻周圍之電壓匯流排的接地短路。

高側拓撲的優點是，負載和系統參考是固定在接地上且與監控之電流無關；而匯流排至接地的短路，則可以很容易地偵測到。

不利的一面是，共模電壓則接近於測量電路輸入端的匯流排電壓。除了加大電流感測放大器的工作壓力之外，在某些應用中，可能還會要求 CSA 輸出水平向下移動至接近系統的參考水平。

與高側感測相關的議題促使許多 CSA 系列產品的開發。INA180 和 INA210 都是新型的 CSA，可以處理 -3 V 至 26 V 的共模電壓，且與供電電壓無關。兩者都適合用於馬達控制、電池監控和電源管理等其他應用。具有較高匯流排電壓的應用可以使用其他 CSA，這類 CSA 可提供多種高達 80 V 的輸入共模電壓範圍。針對更高的電壓，CSA 要求使用外部元件將放大器與共模電壓隔離，或者使用隔離放大器。

選擇感測電阻值

感測電阻的設定值要能保證，電阻兩端的壓降在預期的匯流排電流範圍內，遠高於 CSA 電壓偏移和任何垂直的相加噪音。感測電阻的額定功率將取決於最大的匯流排電流和最高的壓降。

舉例而言，一個 12 V 匯流排預期的最高載流量為 2 A。若使用 INA210 CSA，分流器兩端的壓降應大於 35 µV 的最高偏移電壓。

共模拒斥比的範圍介於 105 dB 至 140 dB 之間。若使用較低值 (105 dB)，12 V 匯流排電位 (共模電壓) 將衰減至大約 67 µV。在 CSA 輸出端，此衰減將以偏移電壓乘以放大器增益後顯示。此共模的殘餘偏移不是因為要測量的電流所致；在這種情況下，此殘餘不會造成問題，因為它是小於測量值的 1%。

如要確保壓降遠大於偏移電壓，就必須選擇感測電阻值。對於在 INA210 輸出端有 2 V 單極電壓擺動 (增益為 200) 的情況，輸入應為 10 mV。此值明顯大於輸入電壓偏移，或指定的共模殘餘值。在標稱最大電流為 2 A 時，感測電阻值應為 5 mΩ。分流器的額定功率應至少為預期最大標稱功耗的兩倍，即 20 mW。上述 Ohmite 的 MCS3264R010FEZR 是可行方案，因其額定功率為 2 W。

若使用 Texas Instruments 的 TINA-TI 程式來模擬此配置，我們可以看到電路的直流和交流傳輸特性 (圖 4)。直流傳輸函數顯示一個線性回應，其斜率為 1 V/A。在最大電流為 2 A 的情況下，這將產生 2 V 的輸出。交流回應的頻寬為 20 kHz。

圖 4：以 Texas Instruments 的 TINA-TI 對使用 5 mΩ 電流分流器的電路進行模擬後，顯示了一個斜率為 1 V/A 的線性直流傳輸函數。(圖片來源：DigiKey)

結論

電流感測放大器經過專門設計，可根據多個串聯分流電阻間的壓降，測量匯流排電流；特別適合用於共模電壓較高的高側測量。這些放大器很容易選擇，若使用得當，則可以為電子系統的電源量測、監測和控制帶來絕佳的結果。