电流检测电路

1、精品文档DC DC输出端RS-阳DNGHDSIGNL蚀惻电帕他囹（也示：VcipiODOuF丄电流检测电路摘要：MAX471/MAX472是MAXIM公司生产的精密高端电流检测放大器，利用该器件可以实现以地为参考的电流/电压 的转换，本文介绍了用MAX471/472高端双向电流检测技术来实现对电源电流的监测和保护的方法， 并给出了直流电源 监测与保护的实现电路1电源电流检测长期以来，电源电流的检测都是利用串联的方法来完成的。而对于磁电仪表，一般都必须外加分流电阻以实现对大电流 的测量，在量程范围不统一时，分流电阻的选择也不标准，从而影响到测量精度。对于互逆电源，由于测量必须利用转 换开并来实现

2、，因而不能随机地跟踪测量和自动识别。在教学和实验室使用的稳压电源中，为了能够进行电流 /电压的适时测量，可用两种方法来实现。一种方法是彩双表法显示，此法虽好，但成本较高，同时体积也较大；另一种方法是采用V/I复用转换结构，这种方法成本低，体积小，因而为大多数电源所采用，但它在测量中需要对电压 /电流进行转换显示，也不方便。那么，如何对电源进行自动监测呢？ 笔者在使用中发现，稳压电源的电压在初始调节状态时， 往往显示出空载，而在接入负载后，则需要适时显示负载电流， 因此，利用负载电流作为监测信号来完成 I/V的测量转换，可实现一种电量用两种方法表示，并可完成自动监测转换功 能。为了实现I/V的转

3、换，笔者利用 MAX271/MAX472集成电路优良的I/V转换特性、完善的高端双向电流灵敏放大器和内 置检流电阻来实现对稳压电流电流的检测。2 MAX471/MAX472 的特点、功能美国美信公司生产的精密高端电流检测放大器是一个系列化产品，有 MAX471/MAX472、MAX4172/MAX4173等。它 们均有一个电流输出端，可以用一个电阻来简单地实现以地为参考点的电流 /电压的转换，并可工作在较宽的电压和较大 的电流范围内。电流检测电路D3R2为负载1845MAX471精品文档MAX471/MAX472具有如下特点：具有完美的高端电流检测功能；内含精密的内部检测电阻（MAX471）；

4、在工作温度范围内，其精度为2% ；具有双向检测指示，可监控充电和放电状态；内部检测电阻和检测能力为3A，并联使用时还可扩大检测电流范围；使用外部检测电阻可任意扩展检测电流范围（MAX472 ）；最大电源电流为100讥；关闭方式时的电流仅为5A;电压范围为336V ；采用8脚DIP/SO/STO三种封装形式。MAX471/MAX472的引脚排列如图1所示，图2所示为其内部功能框图。表1为MAX471/MAX472的引脚功能说明。 MAX471的电流增益比已预设为500 A/A，由于2kQ的输出电阻（ROUT ）可产生1V/A的转换，因此3A时的满度值 为3V.用不同的ROUT电阻可设置不同的满度

5、电压。但对于MAX471，其输出电压不应大于 VRS+-1.5V，对于MAX472， 则不能大于VRG-1.5V。精品文档OUTVccT T - - _一 G G MuMu s s S S I I o o R R R R S S33N N +D+D D D s s s s N N H H nnnn G G s s图2 VIAX47J 方搭苗图1MAX471/MAX472引禅排列表1 MAX471/MAX472 的引脚功能说明引脚MAX471MAX472名称功能11 1SHDN关闭端。正常运用时连接到地。当此端接高电平时，电源电流小于5gA2，3RS+内部电流检测电阻电池（或电源端）。“+仅指示

6、与SIGN输出有关的流动方向。封装时已将2和3连在了一起-2N.C空脚-13RG1增益电阻端。通过增益设置电阻连接到电流检测电阻的电池端4 |4GND地或电池负端55SIGN集电极开路逻辑输出端。对于MAX471来说，低电平表示电流从 RS-流向RS+，对于MAX472，低电平表示VSENSE为负。当SHND为高电平时，SIGN不为高阻抗，如果不需要 SIGN，可将其悬空6, 7RS-内部电流检测电阻的负载端。“”仅表示与SIGN输出有关的流动方向，封装时已将6和7连在一起-6RG2增益电阻端。通道增益设置电阻连接至电流检测电阻负载端-7 nVccMAX471电源输入端。连接至检测电阻与RG1

7、的连接点88OUT电流输出，它正比于流过 TSENSE被测电路的幅度，在 MAX741中，此引脚到地之间应接一个2kQ电阻，每一安培被测电流将产生大小等于1V的电压OUT端为电流幅度输出端，而SIGN端可用来指示输出电流的方向。SIGN是一个集电极开路的输出端（仅吸收电流） 可和任何采用电压供电的逻辑电路相连，用100kQ的上拉电阻即可把SIGN连接到逻辑电源。对于 MAX471来说，在电流从RS-流向RS+时，输出低电平。而当电流从 RS+流向RS-时，输出高电平。在采有电流供电的电路中，无论是充 电还是放电，只要负载电流大于1mA，SIGN端的输出都能精确地指示出电流方向。精品文档TO12

8、?INcfE.J11H40Q2*-Sljkn1210k Q】在SHDN为高电平时，MAX471/MAX472进入关闭模式，此时系统的消耗电流小于 5讥。在关闭状态下，SIGN为高阻状态，OUT截止。3电源监测与保护电路C3 4100卜半8Q丄團3 MAX471的底的f就电源监测与保护电略用MAX471构成的直流电源监测与保护电路如图 3所示，该电路可以和任意电源相连，能进行电流、电压的自动显示和 过流报警与保护。图中R1为MAX471输出端电阻，用于决定I/V的转换灵敏度。由于笔者是采用 85C1-V30V磁电式 直流电压表来显示输出电压和电流的，所以 R2为20kQ，灵敏度为10V/A。实际

9、应用时，R1可用标准仪表来进行微调 校正。J1-1为电压/电流显示转换继电器。在初始状态下调整输出电压时，由于未接负载，Irt为零，IOUT端的输出电压为零，J1不吸合，J1-1常闭以使昨电压表接入电源输出端，从而显示输出电压，并使VD3发光，以表示测接入量值为电压。当负载电源后，IOUT端通过R1使VT2导通，继电器J1吸合，电压表通过JL-1接入IOUT端以显示I/V转换器, 同时，VD4发光以表示测量值为负载电流，开关 K为强制转换开关，可方便地将显示仪表设置为输出电压测量。此开关 一般情况下处在打开状态。VT1为射极输出器，可用于减小 VT2和IC2对IOUT端的影响。过流保护电路用集

10、成电路 TL431来完成，J2为过流保护用继电器，W为过流保护调节电位器，当 VA=UBR5/ (W+R5 ) =2.5V时，TL431的阳 极端电压为2.5V，J2吸合，J2-1切断输出；同时J2-2闭合，VD5发光指示，报警音乐集成电路IC3得电并通过VT3 驱动报警喇叭，从而以声、光形式构成流保护指示。用MAX471MAX472实现I/V的转换可简化对电源电流的测量，并可实行对高端电流的监测，可以和任意电源共地应用, 它内置电阻精度高，且能关联扩流使用。这对学生用实验电源的改造非常方便。尤其是模块化电源监测的保扩板，由于 它能够完成完整的I/V显示及过程保护功能，因此，特别适用于通用的实

11、验电源。精品文档电流检测电路的详细分析时间：2012-04-14 21:28:43来源：广州大学 作者：杨汝摘要：介绍电流检测电路的实现方法，并探讨在电流检测中常遇见的电流互感器饱和、副边电流下垂的问题，最 后用实验结果分析了升压电路中电流检测的方法。关键词：电流检测电流互感器磁芯复位The Discussion of Current Sense in the Switch CircuitAbstract:The article has introduced the methods of current sense circuit.Then it discusses saturation of

12、 the current sense transformer and droop effect of the second side Current.At last the article has analyzed the current sense in the boost circuit through experiment.Keywords: Current sense, Current sense transformer, Core reset中图法分类号：TN86文献标识码：A文章编号：02192713(2000)11590021引言功率开关电路的电路拓扑分为电流模式控制和电压模式控

13、制。电流模式控制具有动态反应快、补偿电路简化、增 益带宽大、输出电感小、易于均流等优点，因而取得越来越广泛的应用。而在电流模式的控制电路中，需要准确、高效 地测量电流值，故电流检测电路的实现就成为一个重要的问题。本文介绍了电流检测电路的实现方法，并探讨在电流检测中常遇见的电流互感器饱和、副边电流下垂的问题，最 后用实验结果分析了升压电路中电流检测方法。2电流检测电路的实现在电流环的控制电路中，电流放大器通常选择较大的增益，其好处是可以选择一个较小的电阻来获得足够的检测 电压，而检测电阻小损耗也小。电流检测电路的实现方法主要有两类：电阻检测(resistivesensing )和电流互感器(cu

14、rrentsensetransformer ) 检测。电阻检测有两种，如图1、图2所示。当使用图1直接检测开关管的电流时还必须在检测电阻RS旁并联一个小RC滤波电路，如图3所示。因为当开关管断开时集电极电容放电，在电流检测电阻上产生瞬态电流尖峰，此尖峰的脉宽和幅值常足以使电流放大器锁定，从 而使PWM电路出错。但是在实际电路设计时，特别在设计大功率、大电流电路时采用电阻检测的方法并不理想，因为检测电阻损耗大， 达数瓦，甚至十几瓦；而且很难找到几百毫欧或几十毫欧那么小的电阻。图2电阻检测(不接地)精品文档图3带滤波的电阻检测电路松测IT-瓷电说nnnc图4升压电路输入电感电流值检测tri.lU图

15、6具有输入电压补偿的电流放大器箝位电路精品文档精品文档图8检测负电压的强制复位电路实际上在大功率电路中实用的是电流互感器检测，如图4所示。电流互感器检测在保持良好波形的同时还具有较宽的带宽，电流互感器还提供了电气隔离，并且检测电流小损耗也小，检测电阻可选用稍大的值，如一二十欧的电阻。 电流互感器将整个瞬态电流，包括直流分量耦合到副边的检测电阻上进行测量，但同时也要求电流脉冲每次过零时磁芯 能正常复位，尤其在平均电流模式控制中，电流互感器检测更加适用，因为平均电流模式控制中被检测的脉冲电流在每 个开关周期中都回零。为了使电流互感器完全地磁复位，就需要给磁芯提供大小相等方向相反的伏秒积。在多数控制

16、电路拓扑中，电流 过零时占空比接近100 %，所以电流过零时磁复位时间在开关周期中只占很小的比例。要在很短的时间内复位磁芯，常 需在电流互感器上加一个很大的反向偏压，所以在设计电流互感器电路时应使用高耐压的二极管耦合在电流互感器副边 和检测电阻之间。3防止电流检测电路饱和的方法如果电流互感器的磁芯不能复位，将导致磁芯饱和。电流互感器饱和是一个很严重的问题，首先是不能正确测量 电流值，从而不能进行有效的电流控制；其次使电流误差放大器总是认为”电流值小于设定值，这将使电流误差放大器过补偿，导致电流波形失真。电流互感器检测最适合应用在对称的电路，如推挽电路、全桥电路中。对于单端电路，特别是升压电路，

17、会产生 一些我们必须关注的问题。对于升压电路，电感电流就是输入电流，那么在电流连续工作方式时，不管充电还是放电， 电感电流总是大于零，即在直流值上叠加一个充放电的波形。因此电流互感器不能用于直接测量升压电路的输入电流， 因为电感电流不能回零而使直流值 丢失”了；并且电流互感器因不能磁复位而饱和，从而失去过流保护功能，输出产生 过压等。在降压电路中也存在同样的问题，电流互感器不能用于直接测量输出电流。解决这个问题的方法是用两个电流互感器分别测量开关电流和二极管电流，如图4所示实际的电感电流是这两个电流的合成，这样每个电流互感器就有足够的时间来复位了。但要注意这两个电流互感器的匝比应一样，以保持检

18、测电 阻RS上的电流对称。功率因数校正电路一般采用升压电路，用双互感器检测，但在线电流过零时，电流互感器也特别容易饱和。因为 此时的占空比约为100 %，从而容易造成磁芯没有足够的时间复位。为此可以在外电路中采取一些措施来防止电流互感 器饱和。如采用电流放大器输出箝位来限制其输出电压，并进一步限制占空比小于100%，电路如图5所示。设定箝位电压的过程很简单，在刚起动时电流放大器箝位在一个相对较低的值（大约4V）,系统开始工作，但过零误差很大；一旦系统正常工作后，箝位电压将升高，电流互感器接近饱和，箝位电压最多升到6.5V （低电压大负载时）并且电流的 THD在可接受的范围内(ATAlrfici

19、 iiffWMpMIlD*?IOWR1=9KR2=1Kmode 10V+ 图3：实现传统高边电流检测的电路。配置为差分放大器的运放 A1能很轻松地处理1V共模电压。但 Vsense(100mV)同样也被缩小了 10倍，因此在差分放大器 A1的输入端 检测电压只有10mV。为了提供要求的2.5V满刻度电平，还必须引入第二个放大器A2,并设置为250倍的增益。值得注意的是，A1的输入偏移电压无衰减地出现在其输出端，同时出现在A2输入端，然后被放大 250倍。由于这些偏移电压是不相关的，它们在A2输入端可能整合为一个平方根和 (RSS)，并形成等效偏移电压。假设两个运放都有1mV的输入偏移电压，那么

20、等效偏移精品文档电压为:精品文档TO PAL OS 二(4)(1 mV)2+(l mV)2+(0.9mV)2 二 L67mV即使我们忽略温度变化，由于放大器A1和A2的偏移电压以及电阻臂比值1%的失配引起的总误差也可能高达1.67mVx250=417.5mV是满刻度输出的16.7%。换句话说,417.5mV 误差电压看上去像是 417.5mV/25 = 16.7mV的输入偏移误差，这显然是不可接受的总误差可以通过使用更高精度的电阻(V OS-EQ)2 (V OS_A1)2 +OS_A2)2其中VOS_A1和VOS_A2分别是A1和A2的输入偏移电压。(VOS-EQ) =7(lmV)24-(lm

21、V)2= L4mV因此由上述公式可以得出 A2输出端仅由输入偏移电压所引起的误差电压为：250(1.4mV) = 350mV这样，运放偏移电压造成了 14%的系统误差。电阻比失配对CMRR的影响第二个主要的误差源，是来自与放大器 A1的电阻臂相关的公差。 A1的CMRR很大程度上取决于电阻增益设置臂 R2/R1和R4/R3之比 值。两个臂中电阻比值即使差 1%，也会产生90gV/V的输出共模增益。使用1%公差的电阻时，电阻臂比值最大变化为 +2%，相当于最坏情况下 3.6mV/V的共模电压误差。这样，10V的输入共模电压变化将在A1输出端产生高达 36mV的误差(电阻臂变化1%时的误差为0.9

22、mV)。36mV的误差显然是不能接受的，因为它将导致增益为 250的A2出现饱和！即使电阻臂比值变化1%也会产生放大的误差电压 0.9mVx250=225mV 。总误差总误差等于A1输入偏移电压、A2输入偏移电压、以及由电阻精度引起的误差电压的RSS总和。如上所述，电阻%1的精度变化加上10V的共模电压变化本身就会产生最大36mV的误差，并使 A2饱和。假设电阻臂 R2/R1和R4/R3之间的比值只变化1%，输出误差也将高达0.9mV。因此总的RSS输入误差电压为：(0.1%)、或具有更好偏移电压规格的放大器来缩小。但这些措施将进一步增加本来就已经包含了众多元件的系统的成本。另外，即使没有负载

23、，电阻分压器R4/R3和R2/R1也提供了电源电流到地的流通路径。这种到地的低共模阻抗在电池供电设备中很关键,因为电阻路径中的漏电会迅速泄漏电池能量。专用高边电流检测放大器综上所述，理想的器件不仅要能检测较高共模电压上的电压，而且要具有非常好的CMRR和低输入偏移电压。图 4中基本的高边电流检测放大器(CSA)已经能以IC的形式买到，并采用小型封装以最小化电路板尺寸。生产这种IC时使用的高压制造工艺允许它们即使是在低至2.8V电源电压下工作也能处理高达80V以上的共模电压。其中VOS_A1和VOS_A2分别是A1和A2的输入偏移电压，VOS_MISMATCH 是由于电阻臂比值 1%的变化引起的

24、输入误差电压:精品文档Vcommon mode _Vsensess4?SVSlunk34事 LOADSUPPLYIBVto 48CV寺 LOADpCfeWMsofirweligfi*2. TV Do475WV*+2. Jl 灯4iav电流分路监控器从一开始设计时就是以单电源电压工作的，通常最低电压可达 2.7V。图3显示了两类电流分路监控器，分为电流输出型分路监控器和电压输 出型分路监控器。电流输出型分路监控器通常静态电流较低，需要外部输出电阻, 从而使终端用户能够设定增益。电压输出器件采用固定增益且不需要其他组件。图3两大类电流分路监控器包括：A电流输出型分路监控器和 B）电压输出型 分路监

25、控器车载应用的一般性技术要求车载电流检测分为两大类型：一类是直接连接到电池，另一类是通过限制瞬态偏 移的保护电路连接。上述情况会影响电流分路监控器上共模电压额定值的要求。车载的 12V电子系 统最高电压为14.4V，但电池总线器件上的瞬态电压最高可达 75V，甚至会发生 电池换极。我们还要考虑到另一种共模情况：电源线路的分路开启，且接地短路的情况。这 时共模电压为零。电流流动时必须进行检测，也就是说，放大器在零共模电压时 也要能正常工作。最后，我们不妨考虑一下如图4所示的脉冲宽度调制（PWM）螺线管驱动器的情 况。在本例中，螺线管顶部开启时达到电池电压。开关关闭时，电压将回到二极 管电压降大小的负电平上。这就要求电流分路监控器在低至 -2V的共模电压下IMA18 i2M a ourShuitTXAA/件20)精品文档仍能工作Up !*1 +图4PWM应用中应进行电流检测，即便在共模电压降至二极管电压降大小的负 电压的回扫期间也要进行检测。电流比较在许多应用中，电流应与某个设定值相比较。 通常说来，进行电流比较还需要电 流分路监控器、比较器和参考电压。此外，理想的比较器输出应与大多数常见的 逻辑电路很好地兼容。图5给出了电流比较的例子。在本例中，将电流与采用