高可靠性系统中电流检测的实际考虑

摘要：电流检测最简单的方法是依据欧姆定律：电阻两端的压降和流过电阻的电流成正比。本文讨论了基于电阻的电流检测在实际设计中的问题，列举了一些典型实例，如：电流保护、热插拔控制、电量测量及故障保护。

高边电流检测的基本原理

基于电阻的电流检测比较简单，易于使用而且成本较低，这种方法可以提供极高的线性度，无需校准。根据欧姆定律：电阻电压与流过电阻的电流成正比：V = IR。但是，当电流流过电阻时，所有的电阻都有功率损耗，损耗功率转换成热量还会影响电阻值。因此，必须仔细评估检测电阻的功率损耗。

检流电阻较大时精度较高，但功率损耗也更大：

其中I为检测电流，R为检测电阻。检测电流的幅值由实际应用决定，而非设计参数。因此，检测电阻值必须尽可能小，以降低热量。

选择较小的检流电阻，相应地检测电压也会减小。需要借助放大器将其放大到能与比较器、模/数转换器(ADC)或其它外部电路连接相一致的电压值。此外较小的检测电压容易受测量误差的影响，包括内部偏置电流、放大器输入失调电压等。比如：实际应用中，检测电压的整个范围为50mV到200mV。如果放大器的最大输入失调电压为±5mV，则在50mV (满量程)情况下对应的测量误差达到±10%，而且对于电流更小的情况还会更糟。

图1. 根据欧姆定律测量电流的高边电流检测器。　

电流检测放大器要求具有低输入失调电压和低输入偏置电流。专用的电流检测放大器(图1)在电源(比如电池)和负载之间放置检流电阻，这种方法避免了地层较大电阻的影响，大大简化了布板过程并提高了整个电路的性能。流过检流电阻(R_SENSE)的电流在电阻两端产生压降，由运算放大器检测后并驱动MOSFET管吸收电流，电流流过电阻R，R上的压降等于检测电阻两端的电压：

因此：

检测器输出电流与负载电流成正比，一般而言，可以通过镜像电流乘以一个系数K来提高输出电流。如果需要电压输出，在电流输出和地之间加上输出电阻(R_O)即可将电流转换为电压。电阻R和R_O可很容易地在生产中调理，达到优于1%的精度。

电流保护电路

高可靠性供电电路通常具有短路或过载保护(图2a)，图中所示IC (MAX4373电流检测器)集成了基准源、比较器和锁存器，R1、R2用于设置电流门限。比较器将电流检测器的输出电压与基准电压相比较。当负载电流达到所允许的最大值时，比较器输出锁定为逻辑高，将p沟道MOSFET关断，断开流入负载的电流。产生复位或重新上电之前，p沟道MOSFET将始终保持关断状态。

图2a. IC检测到过载时，短路保护电路将关闭P沟道MOSFET并断开负载。

电池充电器及其它应用中，必须防护短路时的过流以及开路时的欠流情况。出于这一考虑，我们设计了图2b，图中电流窗检测器与图2a电路相似，但多了一个用于监测欠流情况的比较器。两个比较器为漏极开路输出，可以连接到一起，也可以单独输出。当检测电流超出规定范围时，IC将向系统发出故障报警。

图2b. 电流窗检测电路(包括R1-R4，比较器和基准源)，检测开路/短路故障。

热插拔控制器

热插拔控制器是专用的一种电流检测器，用于系统板卡，如：服务器中的I/O卡。允许系统运行过程中带电插、拔板卡，而不会中断系统运行。如果没有热插拔控制器，带电插拔操作将会造成系统电源短路，中止系统工作。并且，没有热插拔控制器时，带电插入板卡很容易造成电容的迅速充电，所产生的浪涌电流会使系统电源电压被瞬间拉低。

热插拔控制器(图3)可以有效解决上述问题，具有软启动功能，可以将浪涌电流降到安全范围内。系统发生故障时(过载或短路)，热插拔控制器能够断开板卡与系统其它电路的连接。

图3. MAX5933热插拔控制器保护电源总线不受浪涌电流及短路故障的影响。

作为一个应用实例，MAX5933A系列热插拔控制器允许带电主板上插、拔电路板卡，不会对主板电源造成干扰。启动过程中，控制器相当于电流调节器，通过外部检流电阻和MOSFET限制流入负载的电流。内部电路环慢增大监测电流，可避免较大的浪涌电流。 检流电阻还设置了电流限，如果FB输入检测到短路故障，IC会降低电流限，减小3.9倍。比如，选择检流电阻为25m，标准工作模式下电流门限设置为1.88A，出现短路时，门限会降到480mA。热插拔控制器一般都包含定时器，如果在指定时间内电流没有降低，则断开MOSFET，保护电源总线。热插拔控制器还具有其它诸多功能，如：欠压保护、过压保护、过热保护等。

电量测量和电池管理

图1所示电流检测放大器是一款非常简单、