高端电流检测：差动放大器vs.电流检测放大器

在电机控制、电磁阀控制以及电源管理（如DC/DC转换器与电池监控）等诸多应用中，高精度的高端电流检测都是必需的。在这种应用中，对高压侧电流而非回路电流进行监控，可以提高诊断能力，如确定对地短路电流以及连续监控回流二级管电流，避免使用取样电阻，保持接地的完整性。图1、图2和图3分别给出电磁阀控制及电机控制的典型高压侧电流取样配置。

在上述所有配置中，监控负载电流的取样电阻上的PWM共模电压在从地到电源的范围内摆动。利用从电源级到FET的控制信号可以确定这个PWM输入信号的周期、频率和上升/下降时间。因此，监控取样电阻上电压的差分测量电路应具有极高共模电压抑制与高压处理能力，以及高增益、高精度和低失调--其目的是为了反映真实的负载电流值。

在使用单一控制FET的电磁阀控制中(见图1)，电流始终沿同一方向流动，因此单向电流检测器就足够了。在电机控制配置中(见图2与图3)，电机相位进行分流意味着取样电阻中的电流沿着两个方向流动，因此，需要双向电流检测器。

图1 典型电磁阀控制中的高压侧分流

许多半导体供应商都为高压侧电流检测提供了多种方案。研究这类应用的设计工程师发现，这些方案都可以遵循两个截然不同的高压结构来进行分类：电流检测放大器和差动放大器。

图2 典型H桥电机控制中的高压侧分流

图3 典型三相电机控制中的高压侧分流

接下来，我们将会详细介绍这两种架构的重要差异，以帮助高压侧电流检测设计工程师选择最适合应用的器件。我们将比较两个高压器件：双向差动放大器AD8206和双向电流检测放大器AD8210。这两个器件具有相同的引脚，都具备高端电流取样监控功能，但其性能指标与架构却不同。那么，如何选择合适的器件呢？

图4 AD8206内部结构示意图

它们如何工作

AD8206(见图4)是一款集成的高压差动放大器,通过内置输入电阻网络能够将输入电压削弱至1/16.7，可承受高达65V的共模电压，以使共模电压保持在放大器A1的输入电压范围内。但是，其内部的输入电阻网络也会使差分信号以同样比例衰减。为了实现AD8206的20V/V增益，放大器A1与A2必须将差分信号放大约334V/V。

这个器件通过将输出放大器偏置到电源范围内的适当电压，来实现双向输入测量。电阻分压网络与放大器A2同向输入端连接，外部低阻抗电压施加到精密配置的电阻分压网络，来实现偏置。AD8206的一个优异特性是：当共模电压为-2V（相当于250mV的共模偏置电路，如图4所示）时，它能够正确地放大差分输入电压。

AD8210(图5)是最近推出的一款高压电流检测放大器，功能与AD8210一样，并且引脚兼容。但是，AD8210的工作方式与差动放大器不同,其性能指标也不同。

图5 AD8210功能示意图

一个明显的区别是输入结构不依靠电阻分压网络来处理高共模电压。输入放大器包括一个采用XFCB IC制作工艺制造的高压晶体管，由于此类晶体管的VCE击穿电压超过65V，因此输入端的共模电压可以高达65V。

电流检测放大器如AD8210，采用如下方式放大小差分输入电压。输入端通过R1和R2与差动放大器相连。利用晶体管Q1和Q2，可以调整流过R1和R2的电流，从而使放大器A1输入端的电压为零。当AD8210的输入信号为0V时，R1和R2中的电流相等。当差分信号非零时，其中一个电阻的电流增加，而另外一个电阻的电流下降。电流差与输入信号大小成比例，极性相同。流过Q1和Q2的差分电流由两个精密调整的电阻转换成以地为参考的差分电压。接着，放大器A2利用低压晶体管--由其5V(典型值)电源供电--对该电压进行放大，实现最终输出增益达到20。

通常，只有输入共模电压保持在2V或3V以上时，这种架构的电流检测放大器才有用。不过，AD8210内部的上拉电路能使放大器A1的输入保持在5 V电源附近。因此，在共模电压以及器件的5V电源电压以下时，可以实现精确的差分输入电压测量。

显而易见，虽然电流检测放大器和差动放大器工作方式不同，却履行同样的功能。差动放大器将高输入电压衰减，使信号达到放大器可以接受的电平。电流检测放大器将差分输入电压转换为电流，然后再转换至以地为参考的电压；其输入放大器因采用高压制作工艺，能承受高共模电压。毫无疑问，两个架构的不同将导致其性能差异，设计工程师在选择高端电流检测解决方案时必须考虑这些性能差异。通常，厂商的数据手册已提供了大部分信息，可根据精度、速度、功耗及其他参数对器件的类型做出正确判断。然后，器件架构内在的某些重大差异是无法在数据手册中立刻发现的，但这些也是非常重要的设计考虑事宜。下面给出了一些工程师在实现最佳解决方案时必须考虑的关键点。

带宽：由于输入衰减，许多差动放大器的带宽通常为电流检测放大器的1/5。不过，差动放大器较窄的带宽仍足以支持大多数应用。例如，许多电磁阀控制应用的工作频率不足20kHz，而电机控制出于噪声考虑，通常必须在20kHz以上。通常，电磁阀控制检测平均电流，差动放大器的带宽非常适合这种应用。另一方面，对于电机控制来说，瞬时电流非常关键，尤其是测量电机相位时。因此，具有较宽带宽的电流检测器架构将更真实地反映实际电机电流。

共模抑制（CMR）：这两种架构之间输入结构的差异还导致CMR性能的不同。差动放大器通常具有精密跟踪精度高达0.01%的输入电阻。在直流电压时，这种匹配程度通常确保了80dB CMR。而电流检测放大器因其晶体管输入结构，可以获得更佳的匹配，因此其CMR不再取决于输入电阻的匹配，通常可以达到100dB以上，除非共模电压较低。例如，AD8210在输入共模电压低于5V时，能提供的CMR值与差动放大器一样，为80dB。在这个电压范围下，由于其内部存在着上拉电路，输入结构具有电阻性，CMR值与0.01%精密电阻匹配性相关。在整个范围内，电流检测结构将提供更好的共模抑制。

外部输入滤波影响：如果在高端电流检测应用中使用外部滤波，架构影响非常大。输入滤波器的目的是平滑输入噪声和电流尖峰，结构通常如图6所示。