在便攜式、物聯網和汽車設備及系統中，線路或電池供電的電子設備需要通過監控電源電流來控制配電，因此電源完整性和控制功能至關重要。電流檢測是延長電池壽命、防止過流情況、監控接地故障和優化電源控制的關鍵。問題是需要在高共模電壓下進行精確測量。
電流檢測放大器 (CSA) 或分流監控器是專為執行此類關鍵測量而設計的差分放大器 IC。電流測量的基本原理是將串聯分流電阻器用作電流傳感器，然後計算其上的電壓降。這些分流器和相關電流檢測放大器的選擇與放置對於正確配電和高效率運行至關重要。
本文將說明如何根據精度要求和成本來選擇分流器和電流檢測放大器。
電阻器電流檢測
測量電流的最簡單方法是插入一個小電阻器（也稱為分流器）與待測電流串聯。測量電流檢測電阻兩端的電壓，然後根據已知電阻值，利用歐姆定律計算電流。該方法具有簡單、低成本和線性的優點。
電流檢測電阻的選擇必須關注電阻器精度、電阻溫度係數 (TCR) 和額定功率。對於給定電流值，電阻值決定電阻兩端的電壓降。它還決定檢測電阻的功耗。一般而言，檢測電阻值遠小於 1 Ω。市場上有專用電阻器用於這種應用。這些電阻器採用板、箔或膜形式的金屬元件，或採用沉積的薄膜或厚膜混合元件。
金屬表面貼裝分流電阻器的示例之一是 Ohmite MCS3264R005FEZR 電流檢測電阻（圖 1）。該表面貼裝器件 (SMD) 是一款雙端子、5 mΩ 電阻器，額定功率為 2 W，TCR 為 50 ppm/°C。
圖 1：Ohmite MCS3264R005FEZR 是一款金屬表面貼裝 5 mΩ 分流電阻器。（圖片來源：Ohmite）
分流電阻器也有四端子（開爾文）配置。在開爾文連接中，電流供應給一對源連接端子。另外兩個檢測連接（電壓引線）緊鄰分流電阻。電壓引線的放置避免了與源極引線或觸頭相關的電壓降。幾乎沒有電流流向測量儀表，因此檢測引線中的電壓降可忽略不計。Ohmite FC4TR050FER 是一款 50 mΩ、四端子金屬箔分流器。
應當注意，由於電阻溫度係數的存在，檢測電阻的值會隨溫度變化而變化。選擇低 TCR 的電阻器，使用高額定功率的電阻器，或採用散熱器，都是降低溫度對電阻影響的辦法。
電流檢測放大器
電流檢測放大器是一種特殊用途集成電路差分放大器，設計用於檢測分流器上產生的電壓，並輸出與被測電流成比例的電壓。電流檢測電阻兩端的電壓通常在 1 到 100 mV 範圍內，但可能取決於標稱總線電壓電位。CSA 設計有高共模抑制比 (CMRR)，以消除輸出中的總線電壓。這些器件能夠處理超過其自身電源電壓的共模電壓。
圖 2 是電流檢測放大器的簡化示意圖，顯示了一個具有反向和非反向輸入以及單路輸出的典型差分放大器。
圖 2：典型電流檢測放大器的簡化示意圖。增益由電阻器 R2 對 R1 和 R4 對 R3 的比值設置。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
電阻值設置 CSA 的增益。該結構是對稱的，R1 = R3，R2 = R4。增益由 R2 對 R1 和 R4 對 R3 的比值確定。在典型 CSA 實施中，例如 Texas Instruments 的高性能 INA210CIDCKR，R2 和 R4 為 1 MΩ，R1 和 R3 為 5 kΩ，故增益為 200 V/V。此版本放大器的增益精度為 0.5％。該 IC 的額定電源電壓為 2.7 至 26 V，但最大共模輸入電壓為 -3 至 26 V，與電源電壓無關。這是 CSA 的關鍵區別性特徵。輸入失調電壓僅為 35 μV，CMRR 典型值為 140 dB。
根據具體應用，Texas Instruments INA180B3IDBVR 可能是更經濟的 CSA 選擇。該 CSA 具有相同的共模輸入電壓範圍，且可提供 20、50、100 和 200 V/V 的增益。增益精度為 1％，CMRR 為 100 dB，輸入失調電壓為 100 μV。
電流檢測配置
電流檢測拓撲有兩種：高壓側檢測和低壓側檢測。高壓側配置將檢測電阻放在電壓源和負載之間，而低壓側檢測將分流器放在負載和接地之間（圖 3）。
圖 3：高壓側檢測將分流器 (RSENSE) 置於電壓源和負載之間，而低壓側檢測將其置於負載和接地之間。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
低壓側檢測以地電壓為基準，具有低輸入共模電壓。這使得電流監控放大器和相關電路更簡單，成本通常也會降低。
低壓側連接的缺點是它將負載提升到地電壓以上。當電流值變化時，流過分流電阻器的電流會提升或降低系統基準電平。這可能導致控制迴路出現問題。此外，這種電路配置無法檢測到分流電阻器周圍的電壓總線的接地短路。
高壓側拓撲的優點是負載和系統基準電壓固定在地電壓，與監控的電流無關，並且可以輕鬆檢測到總線接地短路的情況。
缺點是，測量電路的輸入端存在一個接近總線電壓的共模電壓。除了加壓於電流檢測放大器之外，在某些應用中，還可能要求下移 CSA 輸出電平至接近系統基準電平。
與高壓側檢測相關的問題促使業界開發了很多 CSA 系列產品。INA180 和 INA210 都是新型 CSA，可以處理 -3 至 26 V 的共模電壓，無論電源電壓是多少。它們適合電機控制、電池監控和電源管理等等應用。總線電壓較高的應用可以使用其他提供高達 80 V 輸入共模電壓範圍的 CSA。對於更高的電壓，CSA 需要使用外部元件來將放大器與共模電壓隔離，或者使用隔離放大器。
選擇檢測電阻值
檢測電阻值應保證在預期總線電流範圍內，電阻上的電壓降遠高於 CSA 電壓失調和任何加性垂直噪聲。檢測電阻的額定功率將由最大總線電流和最大電壓降決定。
舉個例子，12 V 總線預計承載最大 2 A 電流。若使用 INA210 CSA，分流器兩端的電壓降應大於最大失調電壓 35 μV。
共模抑制比在 105 到 140 dB 的範圍內。使用較低值 (105 dB)，12 V 總線電位（共模電壓）將被衰減至約 67 μV。它乘以放大器的增益後，將顯示為 CSA 輸出端的失調電壓。此共模殘留失調不是待測電流引起的，而且這種情況下的殘留不會造成問題，因為它小於測量值的 1％。
檢測電阻值的選擇必須確保電壓降遠大於失調電壓。對於 INA210（增益為 200）輸出端的 2 V 單極性擺幅，輸入應為 10 mV。這顯著大於上述輸入電壓失調或共模殘留。在標稱最大電流 2 A 時，檢測電阻值應為 5 mΩ。分流器的額定功率至少應為標稱預期最大功耗 20 mW 的兩倍。前述 Ohmite MCS3264R010FEZR 的額定功率為 2 W，因此可以使用。
利用 Texas Instruments TINA-TI 程序仿真此配置，我們可以看到電路的直流和交流傳輸特性（圖 4）。直流傳輸特性顯示出線性響應，斜率為 1 V/A。對於 2 A 最大電流，它將產生 2 V 輸出。交流響應的帶寬為 20 kHz。
圖 4：Texas Instruments TINA-TI 電路仿真，使用 5 mΩ 分流器，顯示出斜率為 1 V/A 的線性直流傳輸特性。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
總結
電流檢測放大器專門設計用於根據串聯分流電阻器上的電壓降來測量總線電流，特別適合於存在高共模電壓情況下的高壓側測量。這些放大器易於選擇，如果使用得當，它們可以出色地完成電子系統中的電源測量、監視和控制任務。