在低側電流檢測中使用單端放大器：誤差源和布局技巧

2021-08-17

在低側電流檢測中使用單端放大器：誤差源和布局技巧

我們討論了通用運算放大器的同相配置可用于低側電流檢測。受TI文章“如何為高性能、低側電流檢測設計布局 PCB ”的啟發，本文試圖進一步闡明在低電壓下使用單端放大器時可能影響我們測量的誤差來源。側電流感應。

在低側電流檢測中使用單端放大器

低側檢測的主要優點是可以使用相對簡單的配置來放大分流電阻器上的電壓。例如，通用運算放大器的同相配置可以成為需要能夠在消費市場領域競爭的成本敏感型電機控制應用的有效選擇。

基于同相配置的電路圖如圖 1所示。

圖1。

但是，這種低成本解決方案可能會受到多種不同錯誤來源的影響。為了準確測量電流，我們需要考慮任何可能影響電路敏感節點（例如放大器輸入）的非理想效應。我們將在下面更詳細地討論這個問題。

微量電阻

一個重要的誤差來源是與 R分流器串聯出現的 PCB 走線的寄生電阻。由于 R shunt在毫歐范圍內具有很小的值，任何與 R shunt串聯的寄生電阻都會導致顯著的誤差。通過 R雜散對該寄生電阻進行建模，我們得到圖 2 中的示意圖。

圖 2。

根據應用，I負載可高達數百安培。因此，即使是很小的 R雜散值也會產生相當大的誤差電壓 V error。該誤差電壓將被放大器的增益放大并出現在輸出端。

由于銅電阻的溫度系數相當高（約 0.4%/°C），R 的值會雜散，因此誤差電壓會隨溫度變化很大。因此，雜散電阻會在溫度變化很大的系統中產生與溫度相關的誤差。為了減少誤差電壓V error，我們應該避免長走線以最小化R雜散。

值得一提的是，消除 R雜散誤差的更有效解決方案是使用不同的放大器而不是同相配置。從圖 2 中可以看出，同相配置具有單端輸入。它檢測節點 A 處相對于地的電壓。然而，差分放大器具有差分輸入并感測 R shunt兩端的電壓。這在圖3中示出。

圖 3。

差分放大器的傳遞函數由下式給出：

vout=R2/R1(vA?vB)=R2/R1Vshuntvout 

由于放大器的差分輸入檢測分流電阻兩端的電壓，PCB 走線的電阻不會產生誤差。我們將在以后的文章中更詳細地研究差分放大器配置。

耐焊性

另一個誤差來源是與檢測電阻串聯的焊接電阻。這在圖4中示出。

圖 4。

在該圖中，負載電流按紅色箭頭方向從左向右流動。垂直走線將分流電阻連接到放大器輸入（In+ 和 In-）。因此，放大器感測 A 點和 B 點之間的電壓差。感測電阻器的實際值將是 R shunt +2R焊料。焊接電阻可以在幾百微歐的范圍內。

誤差變得很大，尤其是在使用小分流電阻器時。例如，對于 0.5 mΩ 分流電阻器和 I負載= 20 A，來自焊接電阻的誤差可能高達 22%。為了解決這個問題，放大器輸入應直接連接到分流電阻器而不是載流跡線。圖 5顯示了一個示例布局，可以提供更準確的結果。

圖 5。

在這種情況下，有兩對 PCB 焊盤：一對用于將 R分流器連接到負載，另一對用于將 R分流器連接到放大器輸入。在大電流應用中，放大器吸收的電流 (I amp ) 遠小于 I load。這就是為什么上述布局可以減少阻焊誤差的原因。

為了更好地理解這種技術，讓我們比較兩種情況下的感測電壓。對于圖 4所示的布局，感測電壓為：

vA?vB=(Rshunt+2Rsolder1)×(Iload+Iamp)

由于 I amp比 I load小得多，我們有：

vA?vB≈(Rshunt+2Rsolder1)×Iload=RshuntIload+2Rsolder1Iload

在這種情況下，誤差為 2R焊料 2 I amp，它遠小于等式 1的誤差，因為 I amp遠小于 I load。這種技術通常稱為開爾文傳感，可用于許多應用領域。它使我們能夠準確測量阻抗。采用開爾文傳感技術的其他一些 PCB 布局如圖 7所示。

圖 7.圖片（改編）由TI 提供。

您可以在ADI 公司的“通過改進低值分流電阻器的焊盤布局優化高電流檢測精度”中找到更復雜的開爾文連接布局示例。

您可能想知道圖 5 和圖 7中描述的三種布局中的哪一種可以實現更準確的測量？應該注意的是，這個問題很難回答，因為結果取決于您在設計中使用的電阻。在報告電阻的標稱值時，不同的電阻制造商可能會使用不同的測量位置。

例如，如果電阻制造商測量了焊盤內部的電阻，則圖 7(a) 中的布局可以為我們提供更準確的測量結果。

嘈雜的地面    

圖 8顯示了另一個錯誤來源：嘈雜的地面。

圖 8。

我們討論過，由于同相配置具有單端輸入，因此它測量節點 A 處相對于地的電壓。假設我們的電路板有一個專用的地平面。我們可以在非?？拷?span> R分流器的地方放置一個通孔，以將 B 點保持在系統地電位，并最大限度地減少 PCB 走線電阻的誤差。另一個敏感節點是節點 C。任何耦合到節點 C 的信號都將被放大并出現在輸出端。因此，我們還需要將節點 C 保持在地電位。

但是，假設接地有噪聲，并且一些電流流過接地層，如圖 8所示。這將導致節點 B 和 C 之間的電位差，而我們理想地期望它們處于相同的電位。

假設節點 B 保持在地電位，與地電流的電壓差將出現在節點 C 并在輸出端引入誤差。為避免此錯誤，建議使用使節點 B 和 C 彼此非?？拷?span> PCB 布局。

把它放在一起

圖 9顯示了一個考慮到上述因素的示例布局。此示例布局基于 SOT 23封裝的運算放大器。

圖 9。

請注意，開爾文連接用于檢測分流電阻器兩端的電壓。另請注意，R 1和R分流器的接地側彼此非?？拷Ｕ堄涀?，開爾文連接有幾種不同的焊盤布局。您可能需要咨詢電阻器制造商或進行一些實驗來確定適合您設計的布局。

您可以在TI 的“如何為高性能、低側電流感應設計布置 PCB ”中找到 X 2 SON 封裝中運算放大器的布局示例。