測(cè)量電流以檢測(cè)超出范圍的情況

流經(jīng)系統(tǒng)的電流量反映了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。了解系統(tǒng)運(yùn)行情況的一個(gè)基本切入點(diǎn)是將從電源拉取的電流與該特 定運(yùn)行條件下的預(yù)定義目標(biāo)范圍進(jìn)行比較。如果電流超出預(yù)期水平，表示系統(tǒng)中存在耗電量超出預(yù)期的元件。同理，如果電流低于預(yù)期，則可能表示系統(tǒng)某部分的供 電情況異?；蛘呱踔撂幱跀嚯姞顟B(tài)。

可以通過(guò)多種方法來(lái)診斷系統(tǒng)中的故障情況，具體取決于超出范圍指示的預(yù)期用途。一種方法是監(jiān)測(cè)整個(gè)系統(tǒng)的電流消耗，以確定電源中潛在的破壞性偏移。在這種情況下，測(cè)量精度一般并不重要，僅需簡(jiǎn)易警報(bào)指示發(fā)生超限。

通常使用熔斷器來(lái)提供短路保護(hù)，防止系統(tǒng)流入破壞性電流。在發(fā)生超出范圍情況時(shí)，熔斷器會(huì)熔斷，從而斷開(kāi)電路。此時(shí)，必須更換熔斷器才能確保系統(tǒng)重新正常 運(yùn)行。在最壞的情況下，如果難以獲取熔斷器，則需要 將系統(tǒng)交付至修理廠。

熔斷器響應(yīng)特定電流閾值的效率受限于時(shí)間 - 電流相 關(guān)性。圖 1 顯示了熔斷器的示例時(shí)間-電流響應(yīng)。

圖 1：典型的時(shí)間-電流熔斷器曲線

在另一種過(guò)流保護(hù)方案中，系統(tǒng)會(huì)在檢測(cè)到偏移時(shí)對(duì)其 自身進(jìn)行保護(hù)，但在故障條件被清除后立即恢復(fù)正常運(yùn)行。這種保護(hù)方法使用比較器將監(jiān)測(cè)的工作電流水平與定義的閾值進(jìn)行比較，尋找超出范圍的情況。為特定應(yīng)用創(chuàng)建必要的檢測(cè)級(jí)別依賴(lài)于 特定于系統(tǒng)的變量，如所需超出范圍閾值的可調(diào)節(jié)性、 閾值水平中可接受的裕度以及必須以多快的速度檢測(cè)出偏移。

INA381是一款專(zhuān)用電流檢測(cè)放大器吃產(chǎn)品，具有集成的獨(dú)立比較器，能夠 執(zhí)行與超出范圍檢測(cè)所需的預(yù)期工作閾值的基本比較。 圖 2 顯示了 INA381 測(cè)量電流檢測(cè)電阻器上產(chǎn)生的差分 電壓以及與用戶(hù)可調(diào)節(jié)的閾值水平進(jìn)行比較的情形。 超出閾值水平后，警報(bào)輸出會(huì)拉低。INA381 的警報(bào) 響應(yīng)能夠快至在10μs后跟蹤電流偏移。

圖 2：INA381過(guò)流比較器

除故障指示外，可能還需要提供有關(guān)電源實(shí)際拉取的 電流大小或特定負(fù)載的信息。對(duì)于這些要求，典型的 方法是使用電流檢測(cè)放大器和獨(dú)立比較器的組合，如圖 3所示。

圖3： 分立式過(guò)流檢測(cè)

電流檢測(cè)放大器測(cè)量檢測(cè)電阻器上產(chǎn)生的差分電壓并 將輸出發(fā)送至比較器輸入和模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）。INA301在一個(gè)器件中結(jié)合了電流檢測(cè)放大器（提供與測(cè)量的輸入電流成比例的電壓輸出信號(hào)）和板載比較器（用于過(guò)流檢測(cè)），如圖 4 所示。

圖4：INA301集成過(guò)流檢測(cè)

借助電流信息和超出范圍指示器，系統(tǒng)可根據(jù)運(yùn)行情況 使用多種監(jiān)測(cè)和保護(hù)機(jī)制。INA301 使用的一種機(jī)制是 首先僅監(jiān)測(cè)警報(bào)指示器，將其用作故障指示器。在檢測(cè)到超出范圍情況并且警報(bào) 腳置位后，系統(tǒng)立即開(kāi)始主動(dòng)監(jiān)測(cè)模擬輸出電壓信號(hào)，從而允許系統(tǒng)相應(yīng)地做出響應(yīng)。系統(tǒng)響應(yīng)通常是降低系統(tǒng)性能水平、完全關(guān)閉或繼續(xù)監(jiān)測(cè)以確 定偏移是否會(huì)成為更嚴(yán)重的問(wèn)題。

憑借成正比的輸出電壓和板載過(guò)流檢測(cè)功能，系統(tǒng)能夠 僅在必要時(shí)主動(dòng)監(jiān)測(cè)電流信息，從而優(yōu)化系統(tǒng)資源。 INA301 放大器在固定增益 100（增益也可以是 20 或 50）下具有 450kHz 的小信號(hào)帶寬和 35μV 的最高輸入失調(diào)電壓。除最大增益誤差規(guī)格 0.2% 之外，放大器還能快速檢測(cè)超出范圍情況。INA301 能夠 實(shí)現(xiàn)精確的輸入測(cè)量并快速響應(yīng)過(guò)流 事件，響應(yīng)時(shí)間小于 1μs，其中包括輸入信號(hào)測(cè)量、與用戶(hù)選擇的警報(bào)閾值進(jìn)行的比較以及比較器輸出的置位。

備選器件建議

對(duì)于需要通過(guò)板載過(guò)電流檢測(cè)來(lái)監(jiān)測(cè)高于INA301 36V范圍的電壓軌上電流的應(yīng)用，應(yīng)使用INA200。

INA180 是一款常用于使用外部比較器的分立過(guò)流檢測(cè)電路的電流檢測(cè)放大器。

對(duì)于需要監(jiān)測(cè)第二個(gè)故障閾值水平的應(yīng)用，INA302 采用一 個(gè)具有專(zhuān)用可調(diào)節(jié)閾值水平的附加超出范圍比較器。

監(jiān)測(cè)電流以識(shí)別多種超出范圍的情況

在確定印刷電路板 （PCB） 設(shè)計(jì)是否正常運(yùn)行時(shí)，首先 需要查看的參數(shù)之一是工作電流。通過(guò)檢查工作電流，您可以立即判斷電路板上是否有器件短路，是否有任何器件 損壞或（在某些情況下）軟件是否按預(yù)期運(yùn)行。傳統(tǒng)方法是使用電流檢測(cè)放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 來(lái)監(jiān)測(cè)電流是否發(fā)生超出范圍的情況，該方法無(wú)法提供所需的警報(bào)響應(yīng)時(shí)間。此外，使用ADC來(lái)監(jiān)測(cè)過(guò)流警報(bào)閾值需要在ADC和主機(jī)處理器之間持續(xù)進(jìn)行通信，這會(huì)不必要地增加系統(tǒng)負(fù)擔(dān)。

為了實(shí)現(xiàn)識(shí)別電流超出范圍情況所需的響應(yīng)時(shí)間，您 需要使用模擬比較器來(lái)檢測(cè)電流何時(shí)超出給定的參考閾值。不過(guò)，在很多情況下，僅設(shè)定一個(gè)警報(bào)級(jí)別不 足以確定系統(tǒng)狀態(tài)，也無(wú)法針對(duì)超出范圍的電流作出 相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)。

為了滿(mǎn)足該要求，可以使用 圖 1 中所示的電路來(lái)監(jiān)測(cè)多種超出范圍的電流情況。

圖1：用于檢測(cè)多個(gè)過(guò)流事件的離散實(shí)現(xiàn)

該電路包含五個(gè)器件：一個(gè)電流檢測(cè)放大器、兩個(gè)比較器和兩個(gè)基準(zhǔn)。圖 1 所示的離散實(shí)現(xiàn)需要謹(jǐn)慎選擇比較器，以獲得所需的警報(bào)響應(yīng)時(shí)間。 如果響應(yīng)過(guò)慢， 系統(tǒng)可能沒(méi)有充裕的時(shí)間來(lái)采取相應(yīng)的措施；如果響應(yīng)過(guò)快，可能觸發(fā)錯(cuò)誤的警報(bào)，進(jìn)而可能導(dǎo)致系統(tǒng)關(guān)斷。 圖 2 顯示了一個(gè)更簡(jiǎn)單的電路，該電路可以解決離散 實(shí)現(xiàn)中存在的設(shè)計(jì)問(wèn)題。

圖2：INA302 多用途過(guò)流比較器

INA302 能夠檢測(cè)兩種超出范圍條件。 較低的超出范圍條件稱(chēng)為過(guò)流警告閾值，而較高的超出范圍條件稱(chēng) 為過(guò)流故障閾值。利用過(guò)流警告閾值，可以檢測(cè)電流何時(shí)開(kāi)始變得過(guò)高但尚未達(dá)到可能導(dǎo)致系統(tǒng)關(guān)斷的故 障閾值。

當(dāng)電流超出警告閾值時(shí)， 系統(tǒng)可以選擇通過(guò)禁用子電路、控制電源電壓或降低時(shí)鐘頻率來(lái)降低系統(tǒng)功耗，以降低總系統(tǒng)電流并防止出現(xiàn) 故障。如果確實(shí)發(fā)生過(guò)流故障情況，必須迅速作出響 應(yīng)，以止發(fā)生進(jìn)一步的系統(tǒng)損壞或故障行為。

為了最大程度地減少組件數(shù)量并便于 使用，INA302 的警報(bào)閾值通過(guò)單個(gè)外部 電阻器進(jìn)行設(shè)置。故障閾值應(yīng) 設(shè)置為高于最壞情況下系統(tǒng)可能會(huì)消耗的電流值。電流 超出該閾值后，INA302 的警報(bào)引腳會(huì)在 1μs 內(nèi)作出 響應(yīng)。警告閾值依賴(lài)于應(yīng)用，但通常高于標(biāo)稱(chēng)工作電 流。警告閾值響應(yīng)時(shí)間可通過(guò)外部電容器在 3μs 至 1 0s 的范圍內(nèi) 通過(guò)適當(dāng)?shù)卦O(shè)置警告閾值延遲時(shí)間，可以將過(guò)流警告閾 值設(shè)置為更接近最大直流工作電流，同時(shí)仍可 避免由短暫電流尖峰或噪聲引起的錯(cuò)誤跳閘。故障閾 值和警告閾值之間更大的間距 為系統(tǒng)提供了額外的時(shí)間，以便在超過(guò)故障閾值之前采取預(yù) 防措施。 某些系統(tǒng)允許在觸發(fā)警報(bào)之前 在超出警告閾值的情況下運(yùn)行一段時(shí)間。此類(lèi)應(yīng)用之一 是監(jiān)測(cè)流向處理器的電源電流?？梢栽试S處理器在超出 正常最大電流水平的情況下短暫地 運(yùn)行一段時(shí)間，以最大程度地提高關(guān)鍵操作期間的計(jì)算 吞吐量。如果電流在超過(guò)設(shè)定的延遲時(shí)超出警告閾值， 警報(bào)輸出將拉低，以通知主機(jī)處理器，以便在發(fā)生過(guò)熱 情況之前電壓或時(shí)鐘頻率會(huì)降低。

在某些系統(tǒng)中，檢測(cè)出電流何時(shí)過(guò)低非常有用。對(duì)于這些應(yīng)用，圖 3 中所示的 INA303 可提供過(guò)流和欠流檢 測(cè)。進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖3：INA303 過(guò)流和欠流檢測(cè)

電流超出過(guò)流故障閾值后，ALERT1 輸出將在 1μs 內(nèi)作出響應(yīng)。不過(guò)，如果電流降至欠流閾值以下， 則通過(guò)延遲電容器來(lái)設(shè)置 ALERT2 響應(yīng)時(shí)間。正常 運(yùn)行狀態(tài)下可能出現(xiàn)短暫欠流情況。不過(guò)，如果欠流情況的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)于預(yù)期，則可能是由損壞的器件或即將發(fā)生故障的系統(tǒng)導(dǎo)致的。在這種情 況下，警報(bào)輸出可向系統(tǒng)控制器通知這一情況，并且 可以在系統(tǒng)發(fā)生故障之前實(shí)施故障處理程序。

欠流檢測(cè)的另一個(gè)用途是確認(rèn)系統(tǒng)狀態(tài)是否正確。某些 系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入低功耗模式，該模式下的電流低于正常工作 范圍。在這種情況下，欠流警報(bào)輸出可以通知主機(jī)系統(tǒng) 確實(shí)已進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)。

在某些設(shè)計(jì)中，只有當(dāng)電流超出預(yù)期的工作范圍時(shí)才需 要通知。對(duì)于這些情況，可將兩路警報(bào)輸出連接在一 起，從而將 INA303 配置為在窗口模式下運(yùn)行，如圖 4 所示。在該模式下，只要電流處于正常運(yùn)行窗口內(nèi)，單 路警報(bào)輸出就處于高電平。

圖4： INA303 窗口模式運(yùn)行

備選器件建議

INA226 可用于需要數(shù)字電流監(jiān)測(cè)的應(yīng)用。如果您只需要 單路數(shù)字警報(bào)輸出，那么 INA300 可以采用微型 2mm x 2mm 無(wú)引線四方扁平 （QFN） 封裝。 對(duì)于除模擬電流信號(hào)外僅需使用單路警報(bào)輸出的應(yīng) 用，INA301 可在 1μs 內(nèi)作出響應(yīng)，從而提供出色的電 流監(jiān)測(cè)精度。

用于提供過(guò)流保護(hù)的高側(cè)電機(jī)電流監(jiān)測(cè)

高精度大功率電機(jī)系統(tǒng)通常需要將轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和位置 等詳細(xì)反饋發(fā)送回到電機(jī)控制電路，從而高效精確地控制電機(jī)運(yùn)行。

更簡(jiǎn)單的電機(jī)控制應(yīng)用（例如固定運(yùn)動(dòng)任務(wù)）可能不需 要相同水平的精確系統(tǒng)反饋，因?yàn)樗鼈兛赡苤恍枰?系統(tǒng)是否在其路徑中遇到意外物體或者電機(jī)繞組是否短 路。添加簡(jiǎn)單的超出范圍檢測(cè)功能可以使指示超出范圍事件的速度有所提升，因此實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)控制和主動(dòng)監(jiān)測(cè)的更復(fù)雜的電機(jī)控制系統(tǒng)能夠從中獲益。

通過(guò)將電流檢測(cè)放大器與直流電源串聯(lián)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 電路的高側(cè) - 如圖 1 所示 - 可以輕松測(cè)量流入電機(jī) 的總電流， 以檢測(cè)超出范圍的情況。要檢測(cè)微小的泄漏，您還可以 測(cè)量低側(cè)返回電流。高側(cè)和低側(cè)電流電平之間的差異表 明在電動(dòng)機(jī)或電動(dòng)機(jī)控制電路內(nèi)存在泄漏路徑。

圖1：低側(cè)和高側(cè)電流檢測(cè)

直流電壓電平隨電機(jī)額定電壓而異，從而導(dǎo)致可適應(yīng) 相應(yīng)電壓電平的多種電流測(cè)量解決方案。對(duì)于低電壓 電機(jī)（約 5V），選擇用于監(jiān)測(cè)此電流的電路要簡(jiǎn)單得多，因?yàn)槎喾N放大器類(lèi)型（電流檢測(cè)、運(yùn)算、 差分、儀表）可以執(zhí)行電流測(cè)量功能并支持該共模輸入 電壓范圍。

對(duì)于電壓較高的電機(jī)（如 24V 和 48V），可用的選項(xiàng) 局限于專(zhuān)用電流檢測(cè)放大器和差分放大器。隨著電壓要 求不斷提高，測(cè)量誤差開(kāi)始影響有效確定超出范圍情況的能力。

一種用于說(shuō)明放大器在高輸入電壓電平下運(yùn)行時(shí)的有 效性的規(guī)格是共模抑制 （CMR）。該規(guī)格直接說(shuō)明了放 大器輸入電路對(duì)高輸入電壓干擾的抑制效果。在理想情況下，放大器可以完全抑制或消除兩個(gè)輸入引腳的 共用電壓并且僅對(duì)兩者之間的差分電壓進(jìn)行測(cè)試它們。不過(guò)，隨著共模電壓的上升，放大器輸入級(jí) 中的漏電流將導(dǎo)致額外的輸入失調(diào)電壓。較大的輸入范 圍級(jí)別將按比例產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差。

例如，CMR 規(guī)格為 80dB 的放大器（差分或電流監(jiān)測(cè)） 會(huì)在測(cè)量結(jié)果中根據(jù)輸入電壓電平引入較大的失調(diào)電 壓。CMR 規(guī)格 80dB 對(duì)應(yīng)于針對(duì)施加到輸入的每伏特電 壓在測(cè)量中產(chǎn)生額外的 100μV 失調(diào)電壓。

許多器件具有規(guī)定的工作條件（例如，共模電壓 ［VC M］ = 12V，電壓源 （VS） = 5V），這建立了默認(rèn)規(guī)格 （具體而言，即 CMR 和電源抑制比 ［PSRR］）的基 線。例如，在 60V 共模電壓下運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致 VCM 變化 48V （60V-12V）。在 80db CMR 下，除了器件數(shù)據(jù)表中指定的輸入失調(diào)電壓之外，48V 變化還會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生額 外的 4.8mV 失調(diào)電壓。

該額外產(chǎn)生的失調(diào)電壓不會(huì)顯著影響采用校準(zhǔn)方案的應(yīng) 用。不過(guò)，對(duì)于系統(tǒng)校準(zhǔn)無(wú)法解決該偏移漂移的應(yīng)用， 選擇具有更佳 VCM 抑制的放大器至關(guān)重要。 INA240 是一款專(zhuān)用的電流檢測(cè)放大器，其共模輸入電 壓范圍為 -4V 至 +80V，在該器件的整個(gè)輸入和溫度范 圍內(nèi)的最壞 CMR 規(guī)格為 120dB。 120dB 的 CMR 對(duì)應(yīng) 于共模電壓每變化 1V 額外產(chǎn)生 1μV 的輸入失調(diào)電 壓。溫度對(duì)放大器抑制共模電壓能力的影響在許多產(chǎn)品 的數(shù)據(jù)表中都沒(méi)有詳細(xì)記錄，因此除了室溫規(guī)格之外， 您還應(yīng)對(duì)該影響進(jìn)行評(píng)估。 INA240 在整個(gè) -40°C 至 +125°C 的溫度范圍內(nèi)可確 保 120dB CMR 規(guī)格。INA240 在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的典型 CMR 性能為 135dB（每變化 1V 產(chǎn)生的失調(diào)電壓小于 0. 2μV），如圖 2 所示。

圖2：共模抑制與溫度間的關(guān)系

系統(tǒng)控制器能夠根據(jù)電流檢測(cè)放大器的測(cè)量結(jié)果來(lái)評(píng)估系統(tǒng)的運(yùn)行情況。將當(dāng)前信息與預(yù)定義的運(yùn)行閾值進(jìn)行比較可以檢測(cè)出超出范圍事件。高側(cè)電流檢測(cè)放大器后面的比較 器可以輕松檢測(cè)并快速向系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)，從而使系統(tǒng)能夠采取糾正措施。

圖 3 說(shuō)明了用于在測(cè)量驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的高電壓軌 上的電流時(shí)監(jiān)測(cè)和檢測(cè)超出范圍偏移的信號(hào)鏈路徑。 與 測(cè)量的輸入電流成正比的輸出信號(hào)會(huì)被導(dǎo)入 ADC，并且 還被 發(fā)送到比較器以檢測(cè)過(guò)電流事件。如果輸入電流電平超出作為比較器基準(zhǔn)電壓的預(yù)定義閾值，則比較器警報(bào)將置位。

對(duì)過(guò)流檢測(cè)電路的一項(xiàng)關(guān)鍵要求是能夠檢測(cè)出超出范 圍情況并快速作出響應(yīng)。100kHz 的信號(hào)帶寬和 2V/ μs 的壓擺率使 INA240 能夠在幾微秒的時(shí)間內(nèi)精確 測(cè)量和放大輸入電流信號(hào)，并將輸出發(fā)送到高速比較器，以根據(jù)短路情況 發(fā)出警報(bào)。該短暫的響應(yīng)時(shí)間可確保系統(tǒng)中流過(guò)的意外過(guò)大電流不會(huì)損壞其他關(guān)鍵系統(tǒng)組件。

圖3： 高側(cè)過(guò)流檢測(cè)

備選器件建議

您可以將 LMP8640HV 用于測(cè)量高電壓能力的應(yīng)用，這些 應(yīng)用需要更高的信號(hào)帶寬或更小的封裝。 對(duì)于需要能夠承受更高電壓的應(yīng)用，可選擇 INA149，這 是一款高性能差分放大器，能夠連接高達(dá) ±275V 的共 模電壓 （電源電壓為 ±15V），并保證 CMR 為 90dB（或輸入 每變化 1V，產(chǎn)生 31.6μV 的失調(diào)電壓）。 INA301 是一款具有板載比較器的精密電流檢測(cè)放大器， 可檢測(cè)高達(dá) 36V 的共模電壓下的過(guò)流事件。

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