最簡單的直接測量方法是使用分流（串聯(lián)）電流檢測電阻器來測量電流，其特點是簡單和線性化。 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： 最簡單的直接測量方法是使用分流（串聯(lián)）電流檢測電阻器來測量電流，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



使用分流電阻器時，您可以將其插入負(fù)載和回路之間（低壓側(cè)檢測）或負(fù)載和電源之間（高壓側(cè)檢測）。  低壓側(cè)檢測具有簡單且成本低的優(yōu)點，因為分流電阻器以地為基準(zhǔn)，并可以使用標(biāo)準(zhǔn)運算放大器進行緩沖。  缺點之一是低壓側(cè)傳感器無法檢測負(fù)載低壓側(cè)的開路或短路情況。 分流電阻還會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)檢測不會引入任何接地干擾，但分流電阻器的每側(cè)都有一個共模電壓，可能超出標(biāo)準(zhǔn)運算放大器的共模范圍或超過其電源電壓。



分流電阻器 IC



專為檢測過流情況而設(shè)計的 IC 有很多種，例如來自 Texas Instruments 的 INA300 電流檢測比較器。 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) 或外部電阻器進行設(shè)置。 響應(yīng)時間在 10 μs 和 100 μs 之間。 警報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。





圖 2： Texas Instruments 的 INA300 通過多種功能針對過流情況提供保護，包括可編程閾值電壓和響應(yīng)時間。 （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，從而實現(xiàn)過流檢測，但工業(yè)電機控制和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用可能需要高速過流保護以避免損壞下游元器件。



圖 3 顯示具有獨立高速保護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。 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)迅速提供過流檢測信號。 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量電流，但分流器的容差會直接影響過流檢測的精度。 大電阻值可以提高信號幅值，但也會產(chǎn)生較多熱量并引致成本增加，因為可能需要增加散熱器或其他熱量管理方法。

如果分流電阻器要用作控制系統(tǒng)的一部分（如圖 3 所示），電壓信號將有較大動態(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



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



圖 4： AUIR3200S 是集成了過流檢測和溫度補償?shù)?MOSFET 驅(qū)動器。 （圖片由 Infineon Technology 提供）



該器件檢測電源 FET 上的壓降，這個值是 FET 的負(fù)載電流和 RDS(ON) 的函數(shù)。 MOSFET 打開時，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 可能會有不同，特別是在汽車應(yīng)用中，但不會影響兩個電壓的比較。



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



為減少錯誤，應(yīng)該為 RVDS 選擇低容差值。 功率 MOSFET 的 RDS(ON) 值對漏電流相對不敏感，但會隨著結(jié)溫 (TJ) 的升高而升高。 為進行補償，AUIR3200S 的 IVDS 電流源內(nèi)設(shè)計了正溫度系數(shù)。 請注意，AUIR3200S 應(yīng)該盡可能靠近 MOSFET 安裝以使兩個器件的溫度相等。



高電流應(yīng)用中的直接測量



對于高電流應(yīng)用，分流電阻器可能因為增加的熱量過多而不能應(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，實現(xiàn)低成本電流測量。 



均流 MOSFET 如何工作？ 現(xiàn)代功率 MOSFET 包括數(shù)千個相同的并聯(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 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低功耗 MOSFET（也稱為 senseFET），它有一個共柵極和漏極，但有一個獨立源會被引出后作為 SENSE 引腳。 圖 5 所示為等效電路。





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



當(dāng)主功率晶體管打開時，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 MOSFET 的典型電路。 一個雙運算放大器電路將 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 FET 的一個實例。 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，但對于保險絲替代應(yīng)用，5% 到 10% 都足以滿足需求。 典型的電流檢測 FET 的檢測輸出有 ±5% 波動，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 VOUT 實質(zhì)上是模擬信號，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。



結(jié)論



對于過流和短路保護，除保險絲外設(shè)計人員有很多選項。 雖然增加復(fù)雜度可能會提升 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)品整個生命周期的總成本。