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2018年08月29日 | 电流检测方案解析
2018-08-29
与十年前相比，现在的电子产品具有更多的功能。工程师们不得不设计精密的系统，常以“创造性”满足严格的功率预算，以保持高能效。预测系统的维护和保护需要快速反应系统的响应。一个关键功能是监测系统的电流消耗和压降。
在所有的电流检测法中，使用放大器监测分流的电流是到目前为止最常用的方法。电流检测可以使用电流检测放大器(CSA)或带有外部增益设置电阻的运算放大器(Op Amp)来实现(图1)。这两者的选择，取决于性能要求和物料单(BOM) 的目标成本。
Typical op amp current sensing requires 2 to 4 precision resistors
普通的运放电流检测需要2至4个精密的电阻
NCS21xR has integrated precision resistors：NCS21xR集成精密的电阻
图1(a)带有外部增益设置电阻的运算放大器 图1(b)电流检测
从性能的角度，增益设置电阻之间的不匹配会影响电流测量的精度，继而影响并联器件的尺寸。其他设计考虑因素包括器件规格(输入偏置电压、共模抑制、增益误差)、并联器件尺寸、分流位置和PCB布局。我们将在随后的博客中深入分析这些因素。现在，让我们大体看看这些因素。
我们选取了四个放大器(LM358，NCS20081，NCS333和NCS214R)，比较从通用到精密放大器(图2和图3中从左到右)的性能优势。
NCV214R集成增益设置电阻，以获得更好的匹配和共模性能。其他的则需要外部电阻网络。假设在LM 358、NCS20081和NCS333的性能比较中使用了匹配的电阻网络。NCS214R提供最高的精度(图2)和极高能效的方案(图3)。
With a 50 mV shunt drop: 14% offset error
50 mV分流压降：14%偏置误差
With a 50 mV shunt drop: 7% offset error
50 mV分流压降：7%偏置误差
With a 50 mV shunt drop: 0.02% offset error
50 mV分流压降：0.02%偏置误差
With a 50 mV shunt drop: 0.12% offset error
50 mV分流压降：0.12%偏置误差
Reduce offset voltage：减小偏置电压
Improve accuracy：提高精确度
System performance improves：系统性能提升
图2：对于固定的分流压降(例如50 mv)，偏置误差有几个数量级的差异
To achieve 2% offset error: 350 mV shunt drop
要达到2%偏置误差：分流压降350 mV
To achieve 2% offset error: 175 mV shunt drop
要达到2%偏置误差：分流压降175 mV
To achieve 2% offset error: 0.5 mV shunt drop
要达到2%偏置误差：分流压降0.5 mV
To achieve 2% offset error: 3 mV shunt drop
要达到2%偏置误差：分流压降3 mV
Reduce voltage drop across sense resistor：减小检测电阻压降
Reduce power dissipation：降低功耗
System efficiency improves：系统能效提升
图3：若要实现最大的系统能效，对于固定的偏置误差，较低的分流压降会降低功耗
从BOM成本的角度，一个匹配良好的电阻网络将贵(~1美元)到足以抵消使用通用运放(~0.10美元)节省的成本。虽然电流检测放大器贵，但当比较完整的方案成本时，它们很可能比运放方案更便宜。
但是等等！不仅仅如此…另一个优势是：方案的尺寸。带外部电阻网络的运放不会像uQFN或SC70中的NCS21xR那样小。
产品 | NCS210R | NCS211R | NCS213R | NCS214R |
增益(V/V) | 200 | 500 | 50 | 100 |
增益误差(%) | 1 | 1 | 1 | 1 |
偏置电压(µV) | 35 | 35 | 100 | 60 |
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