宽负载电流怎么实现

作者: Pete Semig 德州仪器(ti)高精度线性产品部的模拟应用工程师
在TI E2E 论坛上为客户提供支持时，我遇到的最常见的问题就是直流感应。直流感应方法很简单，就是安放一个与负载（分流电阻器）串联的电阻器，然后测量整个电阻器的电压（分流电压）。对于频程为 10 至 15 倍的负载电流而言，这种方法极为有效。
但是低功耗应用需要 30 倍乃至更高频程的电流感应解决方案。使用线性器件测量分流电压时，实现这种宽负载电流范围可能很困难。
放大器输出摆幅会限制可测量的负载电流范围。例如，从 100mV 至 4.9V 的输出摆幅相当于频程约 15 倍的线性输出范围。那么如果要测量 30 倍频程的负载电流，应该怎么做？调节增益！
图 1 所示的是两个增益如何能够增大可测量负载电流范围。
图1

两个增益范围的电流感应
对数放大器和可编程增益放大器是一个选项，但如果需要测量的只是 20 至 30 倍频程的负载电流，就有点过度了。
另一种方法可使用带开关的运算放大器控制增益，如图 2 所示。
图2

低侧运算放大器可调增益
如果分流电阻器与接地之间存在任何寄生阻抗，这就会产生不准确性。这是一个很大的弊端。图 3 所示的是当 Rg 涉及接地时，运算放大器可获得寄生电压 (VPAR)。
图3

寄生电压误差，Rg=GND
要降低该误差，应将 Rg 连接至 Vpar（Kelvin 连接 Kevin-connection）。下图 4 所示为运算放大器不将增益应用于寄生电压，而其仍然出现在输出端。Vpar 随负载电流及 PCB 制造容差变化而变化。
图4

寄生电压误差，Rg= Vpar
要消除该误差项，可使用只放大差分电压的器件，例如仪表放大器。
图 5 所示为 Kelvin 连接(Kevin-connected)至分流电阻器时，仪表放大器如何消除误差。图 5 中的方程式可简化为 Vout=Vref+Vshunt （注意 VPAR=0）。
图5

无寄生误差的仪表放大器
许多系统设计人员需要单电源解决方案。传统仪表放大器不能满足该需求，因为它们具有有关输入共模电压、电源、参考电压以及增益的输出摆幅限制。
图 6 所示为 INA333 仪表放大器的这种关系。
图6

INA333 单电源工作
例如，如果输出共模电压为 1V，输出摆幅则为 ~0V 至 ~2V。在低侧感应情况下，共模电源为 0V，因此输出摆幅极小，甚至没有摆幅。
为克服该问题，INA326 仪表放大器可使用独特的电流拓扑提供真正的轨至轨输入输出。
将 INA326 的独特性与控制其增益的开关相结合，可实现优异的单电源电流感应解决方案，其可检测达 30 倍频程的负载电流。
图 7 是实例设计的原理图。
图7

10μA 至 10mA的单电源电流感应解决方案
图 7 所示的是用于 10μA-10mA 单电源电流感应解决方案的 TI 高精度设计。设计包括理论、计算与 TINA-TI 仿真。
下次大家在设计电流感应解决方案时，务必要理解放大器的局限性。在尝试复杂解决方案之前，应明白简单开关可显著拓展范围！

作者：
Pete Semig 是一名德州仪器高精度线性产品部的模拟应用工程师，负责为德州仪器差分放大器及仪表放大器提供支持，专业从事电流感应工作。在 2007 年加入德州仪器之前，他毕业于密歇根州立大学，分别于 1998 年和 2001 年获电气工程士学位和电气工程硕士学位。2001 年至 2007 年，他曾任密歇根大学电气和计算机工程系教员，教授各类课程和实验课。Pete 曾多次获得学生评选的年度优秀教学质量奖。