【導讀】隨sui著zhe功gong能neng安an全quan要yao求qiu日ri益yi受shou到dao重zhong視shi
，改gai進jin係xi統tong診zhen斷duan功gong能neng勢shi在zai必bi行xing。其qi中zhong

，電dian流liu測ce量liang便bian是shi診zhen斷duan評ping估gu的de一yi項xiang重zhong要yao內nei容rong。要yao確que定ding設she計ji的de測ce量liang精jing度du

，務wu必bi要yao了le解jie誤wu差cha源yuan。

正如之前在信號鏈基礎知識 #141中(zhong)所(suo)述(shu)
，了(le)解(jie)如(ru)何(he)解(jie)讀(du)數(shu)據(ju)表(biao)對(dui)於(yu)計(ji)算(suan)高(gao)側(ce)電(dian)流(liu)測(ce)量(liang)的(de)精(jing)度(du)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)。此(ci)外(wai)
，了(le)解(jie)外(wai)部(bu)元(yuan)件(jian)的(de)影(ying)響(xiang)對(dui)於(yu)獲(huo)得(de)正(zheng)確(que)的(de)電(dian)流(liu)測(ce)量(liang)結(jie)果(guo)也(ye)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)。

高側電流檢測實現

在高側配置中，有兩種常用的電流測量方法：

●     使用差分運算放大器，如圖1所示。

圖1 用於高側電流測量的運算放大器電路

使用電流檢測放大器，如圖2所示。

圖2 用於高側電流測量的電流檢測放大器電路

這zhe兩liang種zhong方fang法fa具ju有you一yi些xie根gen本ben的de區qu別bie，主zhu要yao體ti現xian在zai電dian流liu檢jian測ce放fang大da器qi集ji成cheng了le增zeng益yi電dian阻zu器qi網wang絡luo，而er運yun算suan放fang大da器qi則ze使shi用yong外wai部bu分fen立li式shi電dian阻zu器qi作zuo為wei其qi增zeng益yi網wang絡luo。無wu論lun您nin使shi用yong哪na種zhong方fang案an，基ji本ben係xi統tong傳chuan遞di函han數shu都dou適shi用yong，如ru公gong式shi1所示：

   公式1

其中

●     y是輸出電壓 (V_OUT)。

●     m 是係統增益
，對於此係統為R_SHUNT×G。G是為大多數電流檢測放大器預定義的，而對於運算放大器，則為R_F/R_I。

●     x是輸入電流(I)。

●     b 是係統的失調電壓。如果係統測量雙向電流，當輸入電流為零時，b 是輸出電壓。如果單向測量，b 在0A下的理想電壓為0V，但它可能會受到放大器輸出擺幅規格的限製。對於運算放大器和電流檢測放大器，V_OFFSET 通常是以輸入為參考規格。因此，b 實際上還需要考慮係統的增益。

電流測量的傳遞方程可改寫為公式2：

   公式2

基於此基本傳遞函數，有兩種誤差類型：增益和失調電壓。

增益誤差

係統增益誤差有兩個主要來源：分(fen)流(liu)電(dian)阻(zu)器(qi)和(he)放(fang)大(da)器(qi)增(zeng)益(yi)。分(fen)流(liu)電(dian)阻(zu)器(qi)誤(wu)差(cha)對(dui)於(yu)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)或(huo)電(dian)流(liu)檢(jian)測(ce)放(fang)大(da)器(qi)是(shi)常(chang)見(jian)的(de)，通(tong)過(guo)查(zha)看(kan)電(dian)阻(zu)器(qi)規(gui)格(ge)表(biao)很(hen)容(rong)易(yi)確(que)定(ding)，而(er)放(fang)大(da)器(qi)的(de)增(zeng)益(yi)誤(wu)差(cha)則(ze)取(qu)決(jue)於(yu)選(xuan)擇(ze)的(de)放(fang)大(da)器(qi)方(fang)案(an)。

對於差分運算放大器方案

，如前所述，增益是兩個電阻器的比率，即R_F/R_I。要計算誤差，需查看電阻器的數據表。典型分立增益網絡電阻器的容差為0.5%、100ppm/°C。要計算此比率的最大誤差，需假設一個電阻處於最大值，而另一個電阻處於最小值。這會在室溫下產生1%的誤差
，並且由於假設會發生反向漂移，因此在125°C下為3%。

對於電流檢測放大器，增益誤差通常列在數據表中。圖3 顯示了德州儀器(TI)INA186-Q1的增益誤差。可以看到

，室溫下的增益誤差為1.0%。溫漂為10ppm/°C時
，125°C下的增益誤差為1.1%。

圖3 INA186-Q1增益誤差和增益誤差漂移規格數據表

這是TI電流檢測放大器的一個主要優勢：精(jing)度(du)匹(pi)配(pei)的(de)集(ji)成(cheng)增(zeng)益(yi)網(wang)絡(luo)可(ke)更(geng)大(da)限(xian)度(du)地(di)減(jian)少(shao)溫(wen)漂(piao)效(xiao)應(ying)。對(dui)於(yu)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)電(dian)路(lu)，您(nin)可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)精(jing)度(du)匹(pi)配(pei)的(de)電(dian)阻(zu)器(qi)網(wang)絡(luo)，但(dan)它(ta)們(men)會(hui)顯(xian)著(zhu)提(ti)高(gao)方(fang)案(an)成(cheng)本(ben)。

偏移誤差

如上所述
，輸出失調電壓必須包括增益。由於失調電壓通常指定為以輸入為參考，因此公式3按如下所示計算失調電壓誤差：

   公式3

從公式3中可以看出
，當V_SHUNT (IxR_SHUNT) 接近失調電壓值時，失調電壓誤差很重要，並且隨著電流變為0，失調電壓誤差將接近無窮大。相反，如果V_SHUNT >>V_{TOTAL OFFSET}
，那麼此誤差項將接近0。

總輸入參考失調電壓具有三個主要組成部分：

放大器V_OFFSET 規格和漂移。

共模抑製比(CMRR)。

電源抑製比(PSRR)。

由於放大器的VOFFSET 通常在固定共模電壓和電源電壓下指定，因此CMRR和PSRR也是造成失調電壓誤差的因素。圖4 顯示了INA186-Q1的固定值，圖5顯示了常用運算放大器TI TLV2186的固定值。

圖4 INA186-Q1在固定共模電壓和電源電壓規格下的CMRR和PSRR數據表

圖5 TLV2186在固定共模電壓和電源電壓規格下的CMRR和PSRR數據表

正如信號鏈基礎知識 #141 中所述，數據表中電流檢測放大器的V_OFFSET 指定方式與運算放大器不同。具體而言
，電流檢測放大器失調電壓包括集成電阻器網絡的影響
，而運算放大器V_OFFSET 僅適用於器件。運算放大器方案中的總失調電壓需要將外部電阻器的影響考慮在內。

由you於yu電dian流liu從cong共gong模mo電dian壓ya流liu經jing外wai部bu電dian阻zu器qi
，因yin此ci可ke將jiang外wai部bu電dian阻zu器qi視shi為wei導dao致zhi共gong模mo抑yi製zhi誤wu差cha的de原yuan因yin。假jia設she所suo有you四si個ge增zeng益yi電dian阻zu器qi具ju有you相xiang同tong的de容rong差cha，根gen據ju公gong式shi4，電路的增益和電阻器的容差將確定“電阻器CMRR”：

   公式4

圖6 所示為不同增益和電阻器容差下計算出的電阻器CMRR（以分貝為單位）
，您可從中看到不同增益和電阻器容差所產生的影響。

圖6 在三種不同增益配置

、不同電阻容差下計算出的CMRR值

對於電流檢測放大器
，隻需將CMRR和PSRR的影響添加到器件的失調電壓規格中，即可計算出總輸入失調電壓。通常會在整個溫度範圍內指定CMRR和PSRR

；因此
，任何漂移影響都已考慮在內。但是，計算不同溫度下的誤差時必須考慮溫漂。

總誤差

理(li)論(lun)上(shang)，最(zui)壞(huai)情(qing)況(kuang)下(xia)的(de)總(zong)誤(wu)差(cha)隻(zhi)是(shi)各(ge)個(ge)誤(wu)差(cha)項(xiang)的(de)總(zong)和(he)。從(cong)統(tong)計(ji)學(xue)角(jiao)度(du)講(jiang)
，所(suo)有(you)誤(wu)差(cha)同(tong)時(shi)發(fa)生(sheng)的(de)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)不(bu)太(tai)可(ke)能(neng)發(fa)生(sheng)。因(yin)此(ci)，使(shi)用(yong)平(ping)方(fang)和(he)根(gen)方(fang)法(fa)（公式5）計算一階總誤差：

   公式5

圖7列出了使用INA186-Q1和TLV2186且增益為20時的關鍵性能指標。

圖7 使用INA186-Q1或TLV2186實現高側電流測量應用的關鍵性能指標

圖8展示了兩種方案使用10mΩ、0.5%

、50ppm/°C R_SHUNT 分別在室溫和125°C 時用公式5計算得出的以下誤差曲線。

圖8 高側電流測量方案結合使用INA186-Q1或TLV2186以及10mΩ、0.5%、50ppm/°C RSHUNT 時的平方和根誤差曲線

從圖7和圖8中(zhong)可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，外(wai)部(bu)增(zeng)益(yi)電(dian)阻(zu)器(qi)是(shi)分(fen)立(li)式(shi)方(fang)案(an)的(de)主(zhu)要(yao)誤(wu)差(cha)源(yuan)，在(zai)溫(wen)度(du)變(bian)化(hua)時(shi)尤(you)為(wei)明(ming)顯(xian)。校(xiao)準(zhun)可(ke)以(yi)更(geng)大(da)限(xian)度(du)地(di)降(jiang)低(di)室(shi)溫(wen)下(xia)的(de)失(shi)調(tiao)電(dian)壓(ya)誤(wu)差(cha)，但(dan)溫(wen)漂(piao)不(bu)容(rong)易(yi)校(xiao)準(zhun)。

總結

tongguozengjiakeshixiandeshejiyudu，tigaodianliujiancefangandejingdukeyitigaoxitongdezhenduannengli。danyurenhedianzixitongyiyang，tigaojingdutongchangxuyaozengjiaxitongchengben。tongguolejiebutonggongzuotiaojianxiadewuchayuanjiqiyingxiang
，ninnenggouzaichengbenhejingduzhijianzuochushidangdequanheng。

參考文獻

●     下載 INA186-Q1 數據表。

●     下載 TLV2186數據表。

關於作者

Dan Harmon是TI電流和位置檢測產品線的汽車營銷經理。在他33多年的職業生涯中，他曾為多種技術和產品提供支持

，包括接口產品、成像模擬前端和電荷耦合器件傳感器。他還擔任過TI USB Implementers Forum代表和TI USB 3.0 Promoter’s Group主席。Dan擁有戴頓大學電氣工程學士學位，以及德克薩斯大學阿靈頓分校電氣工程碩士學位。

關於德州儀器(TI)

德州儀器（TI）（納斯達克股票代碼：TXN）是一家全球化的半導體公司，致力於設計、製造
、測試和銷售模擬和嵌入式處理芯片，用於工業



、汽車
、個人電子產品、tongxinshebeiheqiyexitongdengshichang。womenzhiliyutongguobandaotijishurangdianzichanpingengjingjishiyong，chuangzaoyigegengmeihaodeshijie。rujin，meiyidaichuangxindoujianlizaishangyidaichuangxindejichuzhishang
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