作者：Jerry Steele，德州儀器 (TI) 戰(zhàn)略開發(fā)工程師

要求電流檢測的車載應(yīng)用

車載應(yīng)用中的電流檢測包括控制通過螺線管和噴射器的電流。例如，在柴油噴射時，我們用 48V 或更高的電壓迅速地將感應(yīng)噴射器的電流提高到 20 安培。一旦達(dá)到 20A，電流檢測電路就會向控制電路提供反饋信號，以保持噴射器電流為 20A 不變。

電流檢測通常可增強重要的性能或特性。電動車窗系統(tǒng)是展示電流檢測技術(shù)優(yōu)勢的一個很好的例子。由于馬達(dá)扭矩與電流成正比，因此馬達(dá)在扭矩過大的情況下就會停止工作，比方說人的胳膊卡在電動車窗上，或者機械系統(tǒng)發(fā)生故障時，馬達(dá)都會停止工作。

電流檢測的方法

負(fù)載或電源的低壓側(cè)或高壓側(cè)都可進行電流檢測。共模電壓是指分路 (shunt) 上的電壓（不是分路上的差分電壓），在低壓側(cè)檢測為零伏。低壓側(cè)檢測較簡單，可采用較基本的放大器電路。低壓側(cè)檢測的難點在于：低壓側(cè)檢測會影響系統(tǒng)的接地端，可能還需要增加更多的線路，而且這種作法通常不利于故障診斷。

圖 1 中的高壓側(cè)分路放大器可檢測很高的電源電壓上極低的差分電壓(通常為 100mV 或更低)，通常在車載應(yīng)用中為 13.8V。不過，如果為無限制的 (unconditioned) 電池線路，那么會受瞬變影響：如果無意中將電池方向放錯就會出現(xiàn) –13.5V 的情況，如果出現(xiàn)負(fù)載突降或感應(yīng)反沖，那么較大瞬變可達(dá) 72V。不妨設(shè)想，放大器通常采用 5～12V 的單電源供電（5V 的電源供電日益常見），這就需要放大器的輸入引腳連接到共模電位，大大超過了放大器電源軌的限制。

圖 1 在高壓側(cè)電流檢測中，共模電壓是主要問題

老式分路檢測電路基于差動放大器，即周圍帶四個電阻來設(shè)置增益并提供差動輸入的運算放大器 (operation amplifier)。這些電阻使運算放大器能接受超過其電源軌的共模電壓。不過，這也會帶來下面一些負(fù)面問題：一是電路必須配置為衰減器，在隨后的運算放大器級中恢復(fù)增益，如圖 2A 中的 IC 結(jié)構(gòu)圖所示，運算放大器的增益會成倍增大第一個放大器的偏置和漂移量，從而降低整體性能。二是采用高共模電壓差動放大器要增加電阻網(wǎng)絡(luò)，以使之在仍然只提供單位增益的同時能夠接受較高的共模電壓。高共模差動放大器帶來的影響在于：運算放大器的噪聲增益與共模衰減成正比，如圖 2B 所示的差動放大器結(jié)構(gòu)采用了 20:1 的內(nèi)部共模衰減，此舉使放大器的偏置、漂移和噪聲都比運算放大器本身擴大了 20 倍。此外，較大的輸入電阻也會造成較高的噪聲。

圖 2 可用于車載電流檢測的電阻型高共模電壓差動放大器

電流分路監(jiān)控器是專門用于分路電流檢測的高共模電壓差動放大器，能夠解決電阻型差動放大器的局限性。電流分路監(jiān)控器與差動放大器相比的主要區(qū)別在于：其共模電壓功能通常只擴展到正電壓，而一些電流分路監(jiān)控器允許共模接地。這會造成更多的衍生情況，我們隨后還要談到。共模電壓功能也允許擴展到負(fù)電壓。電流分路監(jiān)控器從一開始設(shè)計時就是以單電源電壓工作的，通常較低電壓可達(dá) 2.7V。圖 3 顯示了兩類電流分路監(jiān)控器，分為電流輸出型分路監(jiān)控器和電壓輸出型分路監(jiān)控器。電流輸出型分路監(jiān)控器通常靜態(tài)電流較低，需要外部輸出電阻，從而使終端用戶能夠設(shè)定增益。電壓輸出器件采用固定增益且不需要其他組件。

圖 3 兩大類電流分路監(jiān)控器包括：A) 電流輸出型分路監(jiān)控器和B) 電壓輸出型分路監(jiān)控器

車載應(yīng)用的一般性技術(shù)要求

車載電流檢測分為兩大類型：一類是直接連接到電池，另一類是通過限制瞬態(tài)偏移的保護電路連接。

上述情況會影響電流分路監(jiān)控器上共模電壓額定值的要求。車載的 12V 電子系統(tǒng)較高電壓為 14.4V，但電池總線器件上的瞬態(tài)電壓較高可達(dá) 75V，甚至?xí)�發(fā)生電池?fù)Q極。

我們還要考慮到另一種共模情況：電源線路的分路開啟，且接地短路的情況。這時共模電壓為零。電流流動時必須進行檢測，也就是說，放大器在零共模電壓時也要能正常工作。

較后，我們不妨考慮一下如圖 4 所示的脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 螺線管驅(qū)動器的情況。在本例中，螺線管頂部開啟時達(dá)到電池電壓。開關(guān)關(guān)閉時，電壓將回到二極管電壓降大小的負(fù)電平上。這就要求電流分路監(jiān)控器在低至 –2V 的共模電壓下仍能工作。

圖 4 PWM 應(yīng)用中應(yīng)進行電流檢測，即便在共模電壓降至二極管電壓降大小的負(fù)電壓的回掃期間也要進行檢測。

電流比較

在許多應(yīng)用中，電流應(yīng)與某個設(shè)定值相比較。通常說來，進行電流比較還需要電流分路監(jiān)控器、比較器和參考電壓。此外，理想的比較器輸出應(yīng)與大多數(shù)常見的邏輯電路很好地兼容。圖 5 給出了電流比較的例子。在本例中，將電流與采用 TI INA200 系列電流分路監(jiān)控器和比較器的簡單單電壓結(jié)點進行了比較。R1 和 R2 形成分壓器，以根據(jù) INA200 系列比較器的內(nèi)置 0.6V 電壓結(jié)點來設(shè)置電壓結(jié)點。（INA200 系列的增益很有特點：INA200 的增益為 20，INA201 的增益為 50，INA202的增益為 100。）

圖 5 簡單的單電壓結(jié)點電流比較

某些系統(tǒng)需要不止一個電流限制電平。舉例來說，系統(tǒng)以較低的電流限制作為故障即將發(fā)生的指示器，而以較高限制作為關(guān)閉系統(tǒng)的標(biāo)志。INA206-INA208 系列電流分路監(jiān)控器采用兩個比較器來實現(xiàn)上述功能。某些系統(tǒng)會對較低限制采用延遲輸出，以避免超出較低限制后引起不必要地觸發(fā)瞬態(tài)偏移。圖 6 中的電路將 INA206 電流分路監(jiān)控器部分的輸出反饋給兩個比較器，這會生成一個有效的低輸出警報，并為關(guān)閉 MOSFET 緩沖路徑提供適當(dāng)極性。

圖 6 顯示了電流與兩個電壓結(jié)點比較的電路。較低的電壓結(jié)點激活警報輸出，我們可為其配置一個適當(dāng)?shù)难舆t電路，以避免錯誤的瞬態(tài)觸發(fā)。較低的電壓結(jié)點在比較器輸入端內(nèi)置閾值為 0.6V。Q1 為較高電壓結(jié)點輸出提供緩沖，通過電源開關(guān) MOSFET 關(guān)閉電源，如果電流超過上限則啟用 Q2。較高電壓結(jié)點采用 INA206 的 1.2V 參考電壓，INA206 具有避免在沒有鎖存功能的電壓結(jié)點發(fā)生振蕩的鎖存功能。

圖 6 在該雙電平電流比較電路中，低電平延遲輸出可對即將發(fā)生的過載發(fā)出警報，支持鎖存功能的上限可將負(fù)載電源關(guān)閉。

作者簡介

Gerald Steele 現(xiàn)任 TI 戰(zhàn)略開發(fā)工程師，主要負(fù)責(zé)電流檢測產(chǎn)品、差動放大器以及隔離放大器的開發(fā)工作。