电池电流传感技术

电流检测放大器 (CSA) 是专用放大器，通过测量传感器元件上的压降来监控电流。您会发现 CSA 跨多种应用，例如基站、服务器背板、汽车、移动和射频电源设备，在这些应用中，跟踪瞬时系统电流非常重要，尽管在许多情况下，跟踪瞬时系统电流会随着时间的推移而变化。尽管这些设备以不同的信号频率运行，但 CSA 带宽的运行范围最多仅为 1 兆赫兹。 CSA 的主要工作是监控电源的运行状况，其典型变化慢于电路的信号频率活动。

CSA 的传感元件是超低值外部电阻器 (R SENSE ) 或集成电流传感晶体管。一般来说，这些集成 CSA 设备易于使用，比分立版本更精确，并且不易产生噪声。 CSA 的典型电流范围从几十微安到几百安培不等。这些器件提供可扩展至 +100V 的共模电压范围。

使用外部电流检测电阻的 CSA

使用外部检测电阻的 CSA 在其输入端有一个经典的差分放大器，用于检测 R SENSE上的小电压降。图 1 显示了使用超低检测电阻的通用 CSA 电路。

图 1具有外部电阻 (R SENSE ) 来感测电池电流 (I BAT ) 的典型 CSA

在图 1中，仔细选择 R SENSE 可建立最小的 I BAT * R SENSE 或 V RSENSE 压降，以保持负载的电源电压。该系统有效地创建了一个二十年的电流传感器。此外，R SENSE 与R 1 和R 2之间的绝对电阻差 足够高，以确保流向负载的电池电流几乎完全流经R SENSE。

图1 配置提供了充足的共模范围、低失调电压、增益和温度稳定性，以保证良好的电源电流测量。

共模范围定义了 IN+ 和 IN- 相对于地的直流电压范围。图 1的 CSA设计通常支持电源以外的共模电压。此特性允许进行高侧(靠近正电源)和低侧(靠近负电源)测量。图 1 显示了高侧测量，其中 IN+ 和 IN- 有效偏置到 V BAT1，负载电源偏置到负载电压 V BAT2。由于 R SENSE上的压降很小，该电路将共模电压设置为略高于正电源。

失调电压是 IN+ 和 IN- 之间的直流误差。 CSA 偏移电压和 I BAT * R SENSE 电压 (V RSENSE ) 结合起来产生 IN+ 和 IN- 之间的电压差。要确定放大器与高失调电压之间的差异，需要使用高 R SENSE 电阻值。高 R SENSE电阻确实可以克服高放大器失调电压，但是，增益误差会增加，并且 V BAT2 的电压幅度 会减小。这些错误在电池供电的应用中可能非常严重。

电阻器R 1、R 2、R 3和R 4 建立CSA增益。名义上R 1 等于R 2 并且R 3 等于R 4。图 1中的R 3 / R 4值确定了 CSA 固定增益。这些片上电阻器的受控工艺变化可确保稳健的温度性能和较低的增益误差。对于该器件，增益范围为 0.2 V/V 至 1000 V/V，增益误差低至 0.01%。

选择外部传感电阻 R SENSE需要一些技巧。该 CSA 电路的第一个设计步骤确定最大电池电流、CSA 增益和最大 CSA 输出电压。确定这些值后，R SENSE 等于：

V OUT 是允许的最大 CSA 输出摆幅，Gain 是 CSA 信号增益，IL (MAX) 是最大负载电流。

R SENSE的大小 和最大功耗 (R SENSE × I L(MAX) 2 ) 定义了 R SENSE的物理尺寸。

放大器的误差决定了该系统的低范围精度。最重要的放大器误差是输入失调电压。系统偏移误差百分比等于：

在哪里：

· 偏移误差是CSA设备的偏移误差

· V OS 是放大器的失调电压

该误差的大小会影响低值电池电流的精度，从而影响 CSA 系统的动态范围。

使用外部传感电阻的经典 CSA 的替代方案是将传感元件移至 CSA 电路中。您可以通过在集成芯片 (IC) 中创建超低值电阻器来实现此目的。然而，这种技术创建的设备仅限于少数应用程序。另一种方法是利用可用的 IC 晶体管来实现电流镜来测量电池电流。

使用内部电流检测晶体管的 CSA

对于这款新器件的建议是放弃两个十进制的 R SENSE 电阻解决方案，并用四个十进制的集成电流感应元件取而代之(图 2)。

图2 四十年电流检测器件

四个十年的电流检测器件通过有源片上晶体管接受电源电流。图 3所示的器件 可保持 300μA 至 3A 的精度，晶体管传感元件上的压降为 35mV 至 60mV。电流镜拓扑消除了偏移限制并降低了噪声，从而将动态范围扩展至至少四个十进制。

具有集成感测元件允许工厂微调，从而使用户无需校准独立的 CSA 感测电阻器。所示器件包含一个 4 个十进制电流检测元件，并使用外部电阻器(R H、R M和 R L)来选择满量程电流范围。

布局问题

与昂贵的外部 R SENSE相比，集成电流检测元件可节省大量电路板空间 (图 3)。

图 3与结合外部检测电阻 (R SENSE ) 的典型 CSA 相比，四个十年 CSA 的 PCB 空间消耗。

在图 3中，SOT-23 封装中的 CSA 与 1Ω 电流检测电阻器的组合消耗约 30mm 2 的 PCB 空间。四个十年的 CSA 消耗的 PCB 空间比典型的 CSA 加 R SENSE少 10 到 20 倍。

大 1Ω 电流检测电阻器的漂移通常非常高，从 20ppm/°C 到 400ppm/°C，其中最便宜的电阻器漂移最大。为了获得良好的初始精度和较低的温度漂移，电阻器的价格会上涨。

在经典的电流检测电路中，检测电阻器的设计可能会带来不受欢迎的挑战。前期设计工作通常很乏味，而且所使用的检测电阻不仅在多种应用中成本高昂，而且占用大量 PCB 面积。用集成电流镜替换传感电阻器和 CSA 是一种解放且简单的选择。这种小型、紧凑的解决方案可节省约 20 倍的电路板空间，并提供 4 个十年的传感范围。