使用最佳化放大器達到可靠且精確的汽車電流感測

隨著電子系統深入汽車應用，對電流流動進行連續即時測量相當關鍵，以便監測即將發生的過電流情況、標示電路和系統的故障與失效，以及提供連續回授訊號，以達到最佳化的控制迴路效能。

雖然有多種技術和元件可以用來測量電流流動，但透過分流 (感測) 電阻兩端的壓降來測量電流的做法，因其概念簡單，是最廣泛使用的方法之一。可提供準確性、精密度、重複性、便利性、小巧尺寸、靈活性和適應性。

此感測電阻可放置在電源軌與負載之間 (高側感測)，或是負載與接地之間 (低側感測)。每種配置在效能、對受感測電流的影響，以及對電阻上電壓放大器的要求等方面，各有其權衡。相關的電流感測放大器 (CSA) 必須具備關鍵的特定應用屬性，才能發揮其最佳作用，尤其是考量到汽車運作環境的嚴峻條件時。

本文將探討高側與低側電流感測，以及設計人員在過程中遭遇的問題。接著會介紹來自 onsemi 的 CSA 系列，並說明如何用於解決其中諸多問題。

兩種感測電阻配置

針對與負載串聯擺放之已知數值固定電阻上的電壓進行感測，就可直接利用歐姆定律：電流 = 電壓／電阻 (I = V/R) 來判定電流。感測電阻無論是以低側 (圖 1 左) 與高側 (圖 1 右) 擺放，都不會直接影響讀數的完整性，但在系統層面上卻有許多影響。

圖 1：在此顯示電阻置於負載與接地之間時的低側電阻式電流感測 (左)，以及電阻置於電源軌和負載之間時的高側感測 (右)。(圖片來源：onsemi)

雖然這個感測電阻稱為分流電阻，但並非正確的稱呼。真正的分流電阻會與負載並聯放置，因此一部分電流會繞過負載並通過電阻。然而，電流感測電阻的標準用法，實際上是與負載串聯擺放，而非對其分流。儘管如此，「分流電阻」這個術語還是普遍使用。

低側感測在概念上是最直接的做法，會將電阻的一端與接地連接，另一端則接至負載的低側。這可提供一些明確的優點：

• 電阻兩端的電壓以接地為參考。
• 兩個放大器端子上的電阻電壓 (共模電壓) 很低。
• 設計成單電源電路相對容易。

然而，低側感測具有無法避免的複雜問題：

• 負載不再接地，這可能會對系統層面產生重大影響，且任何使用感測電流值的控制迴路，在效能上會受影響。
• 負載與接地之間若意外短路，可能會啟動負載。
• 感測配置可能會造成接地迴路。
• 短路造成的高負載電流無法被偵測。

高側感測會將電阻放置在電流源與接地之間，能帶來以下優點：

• 負載會接地，這是主要優點之一，且通常屬於安全要求。
• 負載的本體，例如馬達，可以實體和電氣連接到系統底盤作為共用接地。
• 可避免對受測負載的接地路徑增加電阻。
• 即使電源連接處發生短路，負載仍不會通電。
• 可以偵測從正電源線到接地的短路。

然而，高側感測也有缺點：

• CSA 必須耐受高輸入 CMV 及快速共模暫態；若超出限制，可能會降低效能且有放大器受損的風險。
• 電阻上感測到的電壓，要進行位準移位，以符合系統工作電壓，才能量測和使用。
• 一般而言，實作需要的電路配置更為複雜。

一如既往，要判斷哪一種更好，就要評估工藝上的取捨。然而，在許多情況下，高側感測是唯一可行的選擇。

舉例而言，可試想汽車及其許多電氣負載，如馬達。一輛典型的現代化汽車至少擁有 30 個馬達進行配件功能，例如自動車窗和座椅位置控制。許多馬達都是實體安裝在車架、支撐架或底盤上，其亦可當作電氣接地。

雖然可以將這些負載與車輛的結構元件進行電氣絕緣，但在實際操作中有其難度。要在物料清單 (BOM) 中增加另一個零件、另一個製造步驟，且絕緣材料可能會隨著時間磨損或在更換零件時不小心遺漏。此外，技術人員可以短暫地將馬達主體接觸底盤，讓該電路短路。

相同的考量也適用於非馬達負載，例如先進駕駛輔助系統 (ADAS) 功能、安全與防碰撞子系統、警報系統，以及娛樂與連線主控台。此外，若有未接地的負載，從負載到電池的回路電纜線束會更為複雜，並且容易出現故障或人為錯誤。

最佳化的放大器解決方案

在強制要求或偏好使用高側感測的情況下，採用特定應用的放大器才是解決之道。onsemi NCV7030 系列的 AEC-Q100 汽車級 NCV7030DM2G014R2G CSA (圖 2) 就是例子之一。

圖 2：NCV7030DM2G014R2G CSA 適合在汽車環境中進行高側電流感測。(圖片來源：onsemi)

此裝置採用 Micro8 (3 mm × 3 mm) 或 SOIC-8 (4 mm × 5 mm) (NCV7030D2G014R2G) 無鉛封裝，工作電壓介於 3 V 至 5.5 V，典型靜態電流為 1.5 mA。

NCV7030 系列提供 85 dB (最低) 的高輸入共模拒斥比 (CMRR)，以及 -6 V 至 80 V (工作) 及 -14 V 至 85 V (生存) 的共模輸入電壓範圍。可以在感測電阻上進行單向電流量測，並提供 14 V/V 的固定增益，在整個溫度範圍內的最大增益誤差為 ±0.3%，這對嚴峻的汽車環境來說是重要的規格之一。

NCV7030 放大器不僅提供高共模拒斥比。每一個都由前置放大器和緩衝器組成，會透過「橋接」引腳 A1 和 A2 分別存取輸出和輸入，藉此實作中間濾波網路或調整增益。

此外，良好的 CSA 並非單純只是在高 CMV 情況下維持效能。NCV7030 裝置具有 75 dB (最小) 的高電源拒斥比 (PSRR)，可確保即使在雜訊環境中也能可靠運作。具有 ±300 µV (最大)的低輸入偏移電壓以及最小的溫度漂移，因此是精密應用的良好選擇。此外，更具有 100 kHz 的頻寬，因此能對快速變化的電流作出反應。

礙於低輸入偏移電壓，沒有電流流過分流電阻時，NCV7030 CSA 的輸出將位於接地的 50 mV 內。當電流流動時，輸出電壓將擺動至正值，最高可達施加電源電壓的 100 mV 以內。此寬廣範圍可提升感測電壓的訊噪比 (SNR)。

但有一個輕微的操作限制。NCV7030 放大器內部以接地為參考，因此只能測量單方向流動的電流。這並非嚴重的限制，因為電池供電和大多數雙極電源設計都僅有單向電流流動。

為了簡化設計，裝置可以接到與其監測目標相同的電源供應器。如果需要偵測負載電源供應器的短路電流，可能會導致負載電源供應器驟降至接近 0 V，因此必須使用單獨的電源供應器。

NCV7030 裝置以「現況」提供固定增益放大，無需額外元件，但某些應用可能需要更高或更低的增益。這些放大器的架構可透過 A1 和 A2 引腳因應此要求。

若要降低增益，將 A1 接至 A2 並從此網路添加一個電阻 (R_EXT) 到接地，就可形成一個具有內部 100 kΩ 電阻的電阻分壓器網路 (圖 3)。

圖 3：添加一個外部電阻 (R_EXT) 可形成一個具有內部 100 kΩ 電阻的電阻分壓器網路，藉此降低 NCV7030 放大器的增益。(圖片來源：onsemi)

相反地，添加一個正回饋配置的外部電阻，就可提高增益 (圖 4)。在兩種增益情況下，可用簡單的代數公式將外部電阻值與所需的降低或提高增益值互相關聯。

圖 4：將外部電阻置於 NCV7030 放大器的回授迴路中可提高增益。(圖片來源：onsemi)

那濾波器呢？

許多電流感測應用，例如汽車和工業裝置，在本質上具有雜訊。雜訊會降低感測電流訊號及相關放大器輸出電壓的完整性。感測電阻上的低電壓會加劇與雜訊相關的挑戰。

為何這個電壓這麼低？決定感測電阻的大小必須有所權衡。一方面，較高值的電阻可提供更大的壓降，因此會產生較大的訊號幅度，進而改善 SNR 和解析度。另一方面，這種高值電阻會浪費更多電力、產生更多的熱量，並對負載迴路產生更大的不良影響。

在許多應用中，經驗法則下的折衷，是挑選可達到大約 100 mV 壓降的電阻大小。此數值表示電阻通常只有 1 mΩ 或更低，因此與其連接的部分會成為壓降和感測電壓計算的一部分。

NCV7030 裝置的真實差動輸入非常適合用於可降低雜訊的四線 Kelvin 連接分流器，以及傳統的雙線分流器。此外，真實的差動輸入會拒斥共模雜訊，即使在低側電流感測中也常見此類雜訊。

某些應用可能要在 CSA 輸入端進行濾波。可在分流電阻和放大器輸入之間添加兩個電阻 (R_FILT) 和一個電容 (C_FILT) 即可輕鬆達到此作用 (圖 5)。

圖 5：要達到輸入濾波，只要在 CSA 的輸入端添加兩個匹配的電阻 (R_FILT) 和一個電容 (C_FILT) 即可。(圖片來源：onsemi)

請注意，因為濾波器電阻的附加電阻值及其之間相關的不匹配情況，會讓輸入濾波變得複雜，這可能會對增益、CMRR 和輸入偏移電壓產生不良影響。規格書會說明如何挑選這些數值及其影響。

即使不需要輸入濾波，可能仍要對放大器的輸出進行濾波。由於 NCV7030 放大器採用「分割式」內部架構，此濾波相當容易實作。將 A1 和 A2 連接並在配置上添加一個電容並接地，就可建立一個低通濾波器 (圖 6 左)。如此便可用內部 100 kΩ 電阻打造一個簡單的單極電阻電容 (RC) 濾波器，可提供 20 dB/decade 的衰減。如果需要更高的衰減，可以添加兩個外部電容和一個電阻來打造一個具有 40 dB/decade 衰減的雙極 Sallen-Key 濾波器 (圖 6 右)。

圖 6：在 A1/A2 和接地之間放置單一電容，就可產生具有 20 dB/decade 衰減的單極濾波器 (左)；再添加一個電阻和電容，就可形成具有 40 dB/decade 衰減的雙極濾波器 (右)。(圖片來源：onsemi)

結論

進行高側電流感測時，會在電源與負載間插入一個低值電阻，此標準做法可在許多應用中判定負載電流的關鍵參數，例如汽車電路。雖然這是一種有效的做法，但也對相關 CSA 的效能帶來挑戰。如本文所述，onsemi 的 NCV7030 放大器系列針對此特定應用進行最佳化，具有高 CMV 耐受度及雙級設計，可提供固定式與使用者可調整的增益，並可在輸入與輸出端達到濾波配置。