最簡(jiǎn)單的直接測(cè)量方法是使用分流（串聯(lián)）電流檢測(cè)電阻器來測(cè)量電流，其特點(diǎn)是簡(jiǎn)單和線性化。 根據(jù)歐姆定律，電阻器兩端電壓代表電流幅值。對(duì)于汽車電池管理之類的高電流精密應(yīng)用，Vishay 提供 WSBS8518L1000JK 等特制分流電阻器，既可作為獨(dú)立器件，也可集成到模制外殼內(nèi) (WSBM8518L1000JK) 以便 pc 板連接（圖 1）。





圖 1： 最簡(jiǎn)單的直接測(cè)量方法是使用分流（串聯(lián)）電流檢測(cè)電阻器來測(cè)量電流，例如 Vishay Dale WSBS8515L100JK 分立式精密分流電阻器（上）或其相關(guān)外殼（下）。 （圖片由 Vishay Dale 提供）



該外殼采用 4 引腳母頭插座，與標(biāo)準(zhǔn) Molex 連接器配接。 電阻可低至 100 µΩ，電感不到 5 nH，電阻溫度系數(shù) (TCR) 低于 ±20 ppm/ºC。



高壓側(cè)和低壓側(cè)檢測(cè)



使用分流電阻器時(shí)，您可以將其插入負(fù)載和回路之間（低壓側(cè)檢測(cè)）或負(fù)載和電源之間（高壓側(cè)檢測(cè)）。  低壓側(cè)檢測(cè)具有簡(jiǎn)單且成本低的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)榉至麟娮杵饕缘貫榛鶞?zhǔn)，并可以使用標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器進(jìn)行緩沖。  缺點(diǎn)之一是低壓側(cè)傳感器無法檢測(cè)負(fù)載低壓側(cè)的開路或短路情況。 分流電阻還會(huì)增加接地通路中的電阻，這在有些應(yīng)用中是不可接受的。



高壓側(cè)檢測(cè)不會(huì)引入任何接地干擾，但分流電阻器的每側(cè)都有一個(gè)共模電壓，可能超出標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器的共模范圍或超過其電源電壓。



分流電阻器 IC



專為檢測(cè)過流情況而設(shè)計(jì)的 IC 有很多種，例如來自 Texas Instruments 的 INA300 電流檢測(cè)比較器。 INA300 工作電源為 5 V，但可以適應(yīng)高達(dá) 36 V 的共模電壓。過流閾值可調(diào)節(jié)并且可通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 或外部電阻器進(jìn)行設(shè)置。 響應(yīng)時(shí)間在 10 μs 和 100 μs 之間。 警報(bào)輸出引腳或跟隨輸入狀態(tài)（透明模式），或在過流狀態(tài)后鎖閉。 在閉鎖模式下，系統(tǒng)微控制器清除閉鎖以確認(rèn)收到警報(bào)。





圖 2： Texas Instruments 的 INA300 通過多種功能針對(duì)過流情況提供保護(hù)，包括可編程閾值電壓和響應(yīng)時(shí)間。 （圖片由 Texas Instruments 提供）



雖然任何電流控制應(yīng)用都可以通過在系統(tǒng)微控制器中比較電流與參考值，從而實(shí)現(xiàn)過流檢測(cè)，但工業(yè)電機(jī)控制和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用可能需要高速過流保護(hù)以避免損壞下游元器件。



圖 3 顯示具有獨(dú)立高速保護(hù)電路的電流控制系統(tǒng)。 Analog Devices 的 AD8211 可放大分流電阻器兩端的電壓并提供控制回路的反饋信號(hào)。 該器件可抑制高達(dá) 65 V 的共模電壓并提供接地參考的緩沖輸出，適用于連接至模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。 





圖 3： AD8211 和 AD8214 組合在一起形成電流監(jiān)控和檢測(cè)系統(tǒng)，可以在不到 100 ns 內(nèi)響應(yīng)過流情況。 （圖片由 Analog Devices Inc. 提供）



保護(hù)功能由另一 Analog Devices 元器件 AD8214 提供。 這是一款響應(yīng)快速、共模電壓高的電流分流比較器，可以在 100 ns 內(nèi)迅速提供過流檢測(cè)信號(hào)。 AD8214 有內(nèi)置齊納穩(wěn)壓器，使其工作電壓可高達(dá) 65 V。



故障來源



對(duì)于低電流應(yīng)用，可以盡量降低成本并使用標(biāo)準(zhǔn)功率電阻器作為分流器來測(cè)量電流，但分流器的容差會(huì)直接影響過流檢測(cè)的精度。 大電阻值可以提高信號(hào)幅值，但也會(huì)產(chǎn)生較多熱量并引致成本增加，因?yàn)榭赡苄枰黾由崞骰蚱渌麩崃抗芾矸椒ā?/span>

如果分流電阻器要用作控制系統(tǒng)的一部分（如圖 3 所示），電壓信號(hào)將有較大動(dòng)態(tài)范圍，因此低容差和低電阻溫度系數(shù) (TCR) 的精密電阻器是首選。



基于 Rds(ON) 的電流檢測(cè)



檢測(cè)過流情況的另一方法是去除分流電阻器，使用功率 MOSFET 作為檢測(cè)器件。 圖 4 顯示 Infineon AUIR3200S MOSFET 驅(qū)動(dòng)器，其中包括短路保護(hù)功能。 



圖 4： AUIR3200S 是集成了過流檢測(cè)和溫度補(bǔ)償?shù)?MOSFET 驅(qū)動(dòng)器。 （圖片由 Infineon Technology 提供）



該器件檢測(cè)電源 FET 上的壓降，這個(gè)值是 FET 的負(fù)載電流和 RDS(ON) 的函數(shù)。 MOSFET 打開時(shí)，源 VS 上的電壓按下式得出：



VS 是 AUIR3200S 源引腳 (S) 的輸入，與基準(zhǔn)電壓 VDS 進(jìn)行比較。 





IVDS 通過內(nèi)置電流源設(shè)置為 1 mA，以使 RVDS 有效確定 VDS 的值。 VBAT 可能會(huì)有不同，特別是在汽車應(yīng)用中，但不會(huì)影響兩個(gè)電壓的比較。



過流時(shí)，VS 超出 VDS，這種情況會(huì)觸發(fā)內(nèi)置比較器并關(guān)閉 MOSFET。



為減少錯(cuò)誤，應(yīng)該為 RVDS 選擇低容差值。 功率 MOSFET 的 RDS(ON) 值對(duì)漏電流相對(duì)不敏感，但會(huì)隨著結(jié)溫 (TJ) 的升高而升高。 為進(jìn)行補(bǔ)償，AUIR3200S 的 IVDS 電流源內(nèi)設(shè)計(jì)了正溫度系數(shù)。 請(qǐng)注意，AUIR3200S 應(yīng)該盡可能靠近 MOSFET 安裝以使兩個(gè)器件的溫度相等。



高電流應(yīng)用中的直接測(cè)量



對(duì)于高電流應(yīng)用，分流電阻器可能因?yàn)樵黾拥臒崃窟^多而不能應(yīng)用，特別是在汽車引擎蓋模塊等高溫環(huán)境下。 在這些情況下，可以采用均流 MOSFET 解決方案，實(shí)現(xiàn)低成本電流測(cè)量。 



均流 MOSFET 如何工作？ 現(xiàn)代功率 MOSFET 包括數(shù)千個(gè)相同的并聯(lián)晶體管單元，以最大限度地降低總導(dǎo)通電阻 (RDS(ON))。 電流檢測(cè) MOSFET 使用這些并聯(lián)單元的一小部分來形成與功率器件隔離的另一個(gè)低功耗 MOSFET（也稱為 senseFET），它有一個(gè)共柵極和漏極，但有一個(gè)獨(dú)立源會(huì)被引出后作為 SENSE 引腳。 圖 5 所示為等效電路。





圖 5： 可用于在高電流應(yīng)用中進(jìn)行直接檢測(cè)的電流檢測(cè) MOSFET 等效電路。 （圖片由 NXP Semiconductors 提供）



當(dāng)主功率晶體管打開時(shí)，SENSE 引腳輸出電流 ISENSE，它與主電流 Iload 成比例：通常比率為 1:500 或 0.2%。



圖 6 顯示用于電流檢測(cè) MOSFET 的典型電路。 一個(gè)雙運(yùn)算放大器電路將 ISENSE 轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)微控制器的電壓輸入。 





圖 6： 均流 MOSFET 到系統(tǒng)微控制器的連接。 （圖片由 NXP Semiconductors 提供）



IXYS 的 IXTN660N04T4 便是用于高電流應(yīng)用的 N 溝道電流檢測(cè) FET 的一個(gè)實(shí)例。 該器件可處理高達(dá) 660 A 的漏電流。



電流監(jiān)控電路的準(zhǔn)確度取決于 RSENSE 的容差，但對(duì)于保險(xiǎn)絲替代應(yīng)用，5% 到 10% 都足以滿足需求。 典型的電流檢測(cè) FET 的檢測(cè)輸出有 ±5% 波動(dòng)，但此性能足以滿足過流或短路情況需求。 圖 6 中的電流信號(hào) VOUT 實(shí)質(zhì)上是模擬信號(hào)，并連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 輸入端，但外部電路可輕松修改以生成數(shù)字過流信號(hào)。



結(jié)論



對(duì)于過流和短路保護(hù)，除保險(xiǎn)絲外設(shè)計(jì)人員有很多選項(xiàng)。 雖然增加復(fù)雜度可能會(huì)提升 BOM 成本，但從總擁有成本 (TCO) 考慮，成本增加是值得的，并有可能降低產(chǎn)品整個(gè)生命周期的總成本。