使用无电阻传感解决方案扩大电流测量范围

测量系统中的电流是监控系统状态的基本但强大的工具。借助先进的技术，电子或电气系统的物理尺寸大大缩小，降低了功耗和成本，而在性能方面并没有太大的折衷。每个电子设备都在监控自己的健康和状态，这些诊断提供了管理系统所需的重要信息，甚至决定了其未来的设计升级。

越来越需要测量系统中从微小电流水平到几安培电流的各种电流。例如，在以下情况下可以看到确定系统中电流或消耗的高动态范围：

1. 睡眠/非活动电流，用于确定除正常操作之外的整体负载性能和电池/电源功率估计。

2. ATE/测试环境需要处理微小/低微安电流水平以安培电流水平，从而需要研发或生产水平测试。

3. 生产车间环境以捕捉生产问题（IC 下的助焊剂、不必要的焊接短路或开路）以及正常的操作功能测试。

4. 工业设备监控，开启和关闭期间的功耗提供了设备的健康状况，例如，监控设备中的正常电流和泄漏电流以确定其随时间的磨损。

图 1. 电流检测放大器 (CSA) + 检测电阻。

图 1 显示了一个带有检测电阻的 CSA。在高达 80V 的较高电压电平（共模电平）应用中，一个简单的外部电流检测放大器 (CSA)（但复杂的集成电路设计，其架构满足精度和准确度）和检测电阻器是解决方案测量电流时的大多数问题。电流检测放大器目前具有一流的准确度和精度，可满足实现微安级电流水平的需求，同时仍保持更好的信噪比 (SNR) 性能，以提供系统设计所需的测量分辨率。

然而，为设计师选择优化的 CSA 并非易事。有一些权衡需要考虑（图 2）：

1. 可用供应

2. 最小可检测电流（转换为器件的输入失调电压 (V OS ) 有多低）

3. 最大可检测电流（转换为最大输入检测电压 (V SENSE )）

4. R SENSE上允许的功耗

图 2. 使用 CSA 和 R SENSE时要考虑的设计约束。

由于差分电压范围是由电流检测放大器的选择设置的，因此增加 R SENSE值可以提高较低电流值的测量精度，但在较高电流时功耗较高，这可能是不可接受的。此外，感测电流的范围减小（I MIN : I MAX）。

降低 R SENSE值更有利，因为它降低了电阻器的功耗，增加了感测电流范围。降低 R SENSE值会降低 SNR（可以通过平均输入处的噪声来提高 SNR）。应该注意的是，在这种情况下，设备的偏移会影响测量的准确性。通常，在室温下进行校准是为了提高系统精度，消除偏移电压并增加某些系统的测试成本。

此外，输入差分电压范围 (V SENSE ) 取决于电源电压或内部/外部参考电压和增益：

在任何实现高电流范围的应用中，目标是最大化目标精度预算的动态范围，这通常由以下等式估算：

对于大多数输入失调电压约为 10μV 的 CSA， V SENSE-RANGE通常为 100mV。请注意，如果 V SENSE_MIN选择为 10xV OS因子，则在未校准系统中，这最多可提供 3 个十倍频程，误差为 ±10%。同样，如果选择 100xV OS，则可以实现 ±1% 的误差范围，但动态范围会缩小到 2 个十倍频程。因此，需要在动态范围和精度之间进行权衡：收紧精度预算会降低 V SENSE_MIN规定的动态范围，反之亦然。

需要注意的一点是，在 CSA + R SENSE系统中，R SENSE（容差和温度系数）通常是系统总精度的瓶颈。这仍然是业界监控/测量系统电流的有效做法，因为与电量计、集成芯片电阻器的 CSA、使用运算放大器的差分放大器的离散实现等其他替代品相比，它简单、可靠且成本合理。可以找到更高等级的容差和温度系数检测电阻器，但价格更高。应用在温度范围内的总误差预算需要与 R SENSE产生的误差相等。

无电阻传感解决方案：

对于需要测量从几百微安到几安培的更高动态范围电流的应用，下图 3 所示的集成电流传感设备 (U1) 是非常有用且有效的解决方案。该解决方案符合以下标准：

1. 集成传感元件（无电阻）

2. 大于 4 十倍频程的电流感应动态范围

3. 电流输出功能（与 160Ω 负载一起提供 0-1V V OUT，兼容所有 ADC/微控制器输入以实现电流）。

图 3：具有集成电流感应元件的 2.5V 至 5.5V 电流感应系统

代替外部检测电阻器，V DD输入和负载 (LD) 输出之间存在集成检测设备，能够测量100uA 至 3.3A的系统负载电流 (I LOAD )。增益为 1/500 的内部增益模块提供 ISH 的输出电流，即 . 一个 160Ω 电阻从 ISH 电流输出连接到 GND，转换为从 0V 到 1V的 V ISH电压输出。

在 3A 负载电流下，传感元件器件上的 V DD和 LD之间的压降约为 60mV（图 1），仅相当于 180mW 的功耗，而在较低的电流值下，检测到 100μA 范围的总误差在该区域内10%（图 2）。再加上在较高电流负载下的功耗更低，并且在较低电流水平下仍保持改进的误差预算，该方案优于图 1 的传统检测电路。因此，需要高达 3A 检测的更宽电流检测范围的应用可以从该方案中受益。

具有扩展线路/输入电压的无电阻传感解决方案：

图 4 是图 3 的输入电压范围扩展，其中 U1 的电源电压现在可以接受更高的线路电压，高达 6V 至 36V。齐纳二极管 (D1) 将 V DD和 PFET (M1) 栅极之间的电压维持在5.6 V。高压线的大部分被 M1 吸收，M1 的源极钳位到距离 V 大约 4V-4.5V DD输入电压，从而将 U1 工作电压 (V DD -V SS ) 保持在其正常工作范围内（图 3）。然后，这个 M1 的源极电压偏置 M2 PFET 的栅极电压。M2 PFET 源极位于 V SS (U1) + V TH(M2) 确保 U1 ISH 输出在可接受的电压范围内。ISH 电流输出和 R1 产生相对于 GND 的 0 至 1V 输出。

图 4. 具有集成电流感应元件的 6V 至 36V 电流感应系统

实验结果

下面是图 4 电路的实验结果。

图 1：内部传感元件上的电压降与负载电流的关系

图 2：ISH 输出的增益误差与不同温度下的负载电流

图 3：MAX40016 电源电压 (V DD -V SS ) 与 V LINE的函数关系

图 4. I LOAD阶跃变化从 0 到 3A 的负载瞬态响应。

结论

如图所示，无电阻传感方法使设计具有高达 36V 的扩展工作范围的 4-decade 电流传感架构成为可能。