在低侧电流检测中使用单端放大器：误差源和布局技巧

在低侧电流检测中使用单端放大器

低侧检测的主要优点是可以使用相对简单的配置来放大分流电阻器两端的电压。例如，通用运算放大器的非反相配置可以成为需要能够在消费市场空间竞争的成本敏感型电机控制应用的有效选择。

基于同相配置的电路图如图1所示。

图1。

然而，这种低成本解决方案可能会受到多种不同错误的影响。为了准确测量电流，我们需要考虑任何可能影响电路易受影响节点（例如放大器输入）的非理想效应。我们将在下面更详细地讨论这个问题。

微量电阻

一个重要的错误是与 R shunt串联的 PCB 迹线的寄生电阻。由于 R shunt在毫欧范围内具有很小的值，因此与 R shunt串联的任何寄生电阻都可能导致显着误差。通过 R杂散对该寄生电阻建模，我们得到图 2中的原理图。

图 2。

根据应用，I负载可高达数百安培。因此，即使是较小的 R stray值也会产生相当大的误差电压 V error。该误差电压将被放大器的增益放大并出现在输出端。

由于铜电阻的温度系数相当高（约 0.4%/°C），R 的值会发生杂散，因此误差电压会随温度变化很大。因此，杂散电阻会在承受较大温度变化的系统中产生与温度相关的误差。为降低误差电压 V error，我们应避免走线过长，以限度地减少 R杂散。

值得一提的是，消除 R杂散误差的更有效解决方案是使用不同的放大器而不是同相配置。从图 2中可以看出，同相配置具有单端输入。它检测节点 A 处相对于地的电压。然而，差分放大器具有差分输入并感测 R shunt两端的电压。这如图 3所示。

图 3。

差分放大器的传递函数由下式给出：

[v_{out}=frac{R_{2}}{R_{1}}left(v_{A}-v_{B} ight)=frac{R_{2}}{R_{1} }V_{分流器}]

由于放大器的差分输入检测分流电阻两端的电压，PCB 走线的电阻不会产生误差。我们将在以后的文章中更详细地研究差分放大器配置。

阻焊性

另一个误差源是与检测电阻串联的焊锡电阻。这在图 4中进行了说明。

图 4。

在此图中，负载电流沿红色箭头方向从左向右流动。垂直迹线将分流电阻器连接到放大器输入端（In+ 和 In-）。因此，放大器会感测 A 点和 B 点之间的电压差。感测电阻器的实际值为 R shunt +2R solder。焊接电阻可以在几百微欧姆的范围内。

误差变得显着，尤其是当使用小分流电阻器时。例如，对于 0.5 mΩ 的分流电阻器和 I负载= 20 A，焊接电阻的误差可能高达 22%。为解决这个问题，放大器输入应直接连接到分流电阻器而不是载流迹线。图 5显示了一个示例布局，可以提供更准确的结果。

图 5。

在这种情况下，有两对 PCB 焊盘：一对用于将 R shunt连接到负载，另一对用于将 R shunt连接到放大器输入。在大电流应用中，放大器汲取的电流 (I amp ) 远小于 I load。这就是为什么上述布局可以减少阻焊误差的原因。

为了更好地理解这项技术，让我们比较两种情况下的检测电压。使用图 4所示的布局，检测到的电压为：

[v_{A}-v_{B}=left(R_{shunt}+2R_{solder1} ight) imes left(I_{load}+I_{amp} ight)]

由于 I amp比 I load小得多，我们有：

[v_{A}-v_{B}approxleft(R_{shunt}+2R_{solder1} ight) imes I_{load}=R_{shunt}I_{load}+2R_{solder1}I_{加载}]

等式 1。

这给出了 2R solder1 I load的误差电压。图 5中的布局如何？这种布局的电路图如下所示：

图 6。

请注意，电流 I load不经过 R solder2返回其源。测得的电压为：

[v_{C}-v_{D}=R_{shunt} imesleft(I_{load}+I_{amp} ight)+2R_{solder2}I_{amp}approx R_{shunt}I_{ load}+R_{solder2}I_{amp}]

在这种情况下，误差为 2R solder2 I amp，它远小于公式 1的误差，因为 I amp远小于 I load。这种技术通常被称为开尔文传感，并在许多应用领域得到使用。它使我们能够准确测量阻抗。图 7显示了一些采用开尔文传感技术的其他 PCB 布局。

图 7.图片（改编）由TI提供。

您可以在 Analog Devices 的“通过改进低值分流电阻器的焊盘布局来优化高电流检测精度”中找到更复杂的开尔文连接布局示例。

您可能想知道图 5 和图 7中描绘的三种布局中的哪一种可以导致更准确的测量？应该注意的是，很难回答这个问题，因为结果取决于您在设计中使用的电阻器。不同的电阻器制造商在电阻器的标称值时可能会使用不同的测量位置。

例如，如果电阻制造商测量了焊盘内部的电阻，那么图 7(a)中的布局可以为我们提供更准确的测量结果。

嘈杂的地面

图 8显示了另一个误差源：噪声接地。

图 8。

我们讨论过，由于同相配置具有单端输入，它测量节点 A 相对于地的电压。假设我们的电路板有一个专用的地平面。我们可以在非常靠近 R分流器的地方放置一个过孔，以将 B 点保持在系统接地电位，并限度地减少 PCB 走线电阻的误差。另一个敏感节点是节点 C。任何耦合到节点 C 的信号都会被放大并出现在输出端。因此，我们也需要将节点 C 保持在地电位。

然而，假设地面有噪声并且一些电流流过接地层，如图8所示。这将导致节点 B 和 C 之间存在电位差，而我们理想情况下希望它们具有相同的电位。

假设节点 B 保持在地电位，与地电流的电压差将出现在节点 C 并在输出端引入误差。为避免此错误，建议使用使节点 B 和 C 彼此非常靠近的 PCB 布局。

把它们放在一起

图 9显示了一个考虑了上述注意事项的示例布局。此示例布局基于采用 SOT 23封装的运算放大器。

图 9。

请注意，开尔文连接用于检测分流电阻器两端的电压。另请注意，R 1和 R分流器的接地侧彼此非常靠近。请记住，开尔文连接有几种不同的焊盘布局。您可能需要咨询电阻器制造商或进行一些实验以确定适合您设计的布局。