摘要

本文介紹的電路能以高精度測(cè)量從幾安培到數(shù)百安培的電流。

引言

許多應(yīng)用都需要測(cè)量電流。很多數(shù)字萬(wàn)用表可以高精度地測(cè)量最高10 A的電流。然而，如果需要測(cè)量更大的電流，則必須使用其他方法。在負(fù)載回路中串聯(lián)一個(gè)電流檢測(cè)電阻并測(cè)量其兩端的電壓降，可以輕松實(shí)現(xiàn)電流檢測(cè)，但這種方法并非沒(méi)有代價(jià)。檢測(cè)電阻兩端的電壓應(yīng)足夠小，以便為負(fù)載提供最大電壓，并使檢測(cè)電阻的熱耗散最小化；同時(shí)阻值又必須足夠大，以便能夠以高精度測(cè)量檢測(cè)電阻兩端的電壓。還有一個(gè)問(wèn)題：使用示波器等設(shè)備測(cè)量電壓時(shí)，如果接地線不是以地為基準(zhǔn)，那么測(cè)量結(jié)果可能不準(zhǔn)確。本文描述的電路有助于以高精度測(cè)量檢測(cè)電阻兩端的較低電壓，并產(chǎn)生一個(gè)放大的、以地為基準(zhǔn)的輸出電壓。

電路

圖1所示電路采用LTC6102和Isabellenhütte的50 μΩ分流器。負(fù)載中的電流在檢測(cè)電阻R1上產(chǎn)生一個(gè)電壓。該器件有一個(gè)反饋回路，它讓電流流入-INF引腳，從而使+IN和-INS保持相同電壓。因此，R1上的電壓與R2上的電壓相同。所以，流經(jīng)R2的電流低于負(fù)載電流，降低的幅度取決于R2與R1之比。此電流流經(jīng)OUT引腳，并在R3上產(chǎn)生一個(gè)電壓，該電壓可以進(jìn)行測(cè)量。

圖1.電流檢測(cè)電路

輸出電壓可由公式1表示：

經(jīng)過(guò)變換可得公式2：

*小知識(shí)：Isabellenhütte是世界上現(xiàn)存歷史最悠久的電子公司。

圖2.輸出電壓和誤差與分流電壓的關(guān)系

直流測(cè)量

為了避免使用大電流評(píng)估電路的性能，可以將50 μΩ分流電阻替換為1 Ω精密電阻。這樣一來(lái)，電路依舊能夠產(chǎn)生相同的輸出電壓，但負(fù)載電阻提升了20,000倍。此外，由于使用大值負(fù)載電阻，測(cè)試引線的阻抗就不會(huì)影響電阻讀數(shù)。負(fù)載電阻兩端的電壓和負(fù)載的阻值均可利用標(biāo)準(zhǔn)萬(wàn)用表測(cè)量，由此可以高精度地計(jì)算負(fù)載電流。

因此，1 Ω分流電阻兩端的電壓可以在不同的負(fù)載電流下進(jìn)行計(jì)算，然后可以使用示波器或電壓表測(cè)量該器件的輸出電壓。圖2中的表格顯示了使用1 Ω、1%電阻作為分流電阻，在不同負(fù)載下測(cè)得的結(jié)果。A、B和D列的讀數(shù)是利用校準(zhǔn)的萬(wàn)用表測(cè)得的。C列計(jì)算方法為：將負(fù)載兩端的電壓（A列）除以測(cè)得的負(fù)載電阻（B列），然后乘以檢測(cè)電阻。E列計(jì)算方法為：將分流電壓除以150 (R2)，再乘以4990 (R3)。F列計(jì)算方法為：從測(cè)得的輸出電壓（D列）中減去計(jì)算得到的輸出電壓（E列），然后除以計(jì)算得到的輸出電壓。

圖3顯示了輸出電壓與分流電壓的關(guān)系。右側(cè)軸顯示了計(jì)算的輸出電壓與測(cè)量的輸出電壓之間的百分比誤差。

圖3.輸出電壓和誤差與分流電壓的關(guān)系

輸入失調(diào)電壓會(huì)給檢測(cè)電阻兩端測(cè)得的電壓帶來(lái)誤差，因此檢測(cè)電阻兩端的電壓必須顯著高于失調(diào)電壓。舉例來(lái)說(shuō)，如果檢測(cè)電阻兩端的電壓為100 mV，電流檢測(cè)放大器的輸入失調(diào)電壓為1 mV，那么后者將給讀數(shù)帶來(lái)1%的誤差。分流電阻兩端的電壓越高，測(cè)量結(jié)果越準(zhǔn)確，但隨之而來(lái)的問(wèn)題是，分流電阻的熱損耗也會(huì)增加，導(dǎo)致負(fù)載上的電壓下降。高失調(diào)電壓也會(huì)限制能夠準(zhǔn)確測(cè)量的負(fù)載電流的動(dòng)態(tài)范圍。隨著負(fù)載電流的減少，分流電阻兩端的電壓會(huì)變小，輸入失調(diào)電壓會(huì)導(dǎo)致誤差成比例地增加。

該器件的輸入失調(diào)電壓為10 μV，對(duì)測(cè)量誤差的影響非常小，因此它能確保對(duì)寬動(dòng)態(tài)負(fù)載電流進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。如圖2和圖3所示，當(dāng)檢測(cè)電壓低于55 μV時(shí)，失調(diào)電壓開(kāi)始引入顯著的誤差。

校準(zhǔn)

圖2顯示，985 Ω的負(fù)載電阻產(chǎn)生了12.2234 mV的分流電壓。與分流電壓相比，輸入失調(diào)電壓微不足道，不會(huì)對(duì)讀數(shù)誤差產(chǎn)生影響。系統(tǒng)現(xiàn)在可以進(jìn)行校準(zhǔn)。R3可調(diào)整，使測(cè)量電壓等于計(jì)算的輸出電壓406.63 mV，從而消除電阻R1、R2和R3造成的誤差。

圖2顯示，大電流下的誤差為-0.65%，而低電流下的誤差為+3.94%。通過(guò)調(diào)整R3校準(zhǔn)系統(tǒng)后，低電流下的誤差為+4.59%，因此現(xiàn)在測(cè)得的輸出電壓應(yīng)為1.935 mV。通過(guò)計(jì)算輸出電壓與新的測(cè)量輸出電壓之間的差值，可以計(jì)算輸入失調(diào)電壓，如公式3所示。

這與數(shù)據(jù)手冊(cè)中的輸入失調(diào)電壓值（約3 μV）相符。

交流測(cè)量

LTC6102能夠進(jìn)行高精度直流測(cè)量，那么其交流測(cè)量能力如何呢？降壓轉(zhuǎn)換器的輸入電流具有較大交流成分，若要確定其效率，IC必須以高精度測(cè)量此電流。

圖4顯示了頻率響應(yīng)。

圖4.LTC6102的增益與頻率的關(guān)系

許多DC-DC轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率在200 kHz到500 kHz之間，圖4顯示在這些頻率下衰減并不明顯，因此當(dāng)測(cè)量降壓轉(zhuǎn)換器的輸入電流時(shí)，該器件的輸出會(huì)出現(xiàn)紋波。然而，若在輸出電阻R3兩端添加一個(gè)電容，則該衰減會(huì)大大增加，如圖1所示。

為了驗(yàn)證是否如此，將輸入電壓為15 V、輸出電壓為3.3 V的降壓轉(zhuǎn)換器LTC3891連接到4.3 A的負(fù)載，并在輸入線路中插入圖1所示電路。用7個(gè)并聯(lián)1 Ω電阻代替50 μΩ檢測(cè)電阻，得到142.8 mΩ的分流電阻。測(cè)量分流電阻兩端的電壓，結(jié)果如圖5所示。

圖5.143 mΩ檢測(cè)電阻上的電壓

將一個(gè)由47 Ω電阻和10 μF電容組成的RC濾波器放在檢測(cè)電阻兩端，并測(cè)量濾波電容兩端的電壓，如圖6所示。這樣便可在不改變分流電阻值的情況下，用萬(wàn)用表更準(zhǔn)確地測(cè)量輸入電流。

圖6.檢測(cè)電阻上經(jīng)過(guò)濾波的電壓

10 μF電容兩端的電壓測(cè)量結(jié)果為143.6 mV，因此輸入電流為1.005 A。

接下來(lái)測(cè)量LTC6102的輸出電壓。圖7顯示了沒(méi)有0.1 μF電容情況下R3兩端的輸出電壓。

圖7.未濾波的輸出電壓

在R3兩端添加一個(gè)0.1 μF電容可使輸出電壓測(cè)量更準(zhǔn)確，如圖8所示。

圖8.R3上的輸出電壓，使用100 nF電容

使用萬(wàn)用表測(cè)得R3上的輸出電壓為4.75 V。這相當(dāng)于142.79 mV的分流電壓，因此分流電流為0.999 A，接近之前測(cè)量的1.005 A。值得注意的是，這兩個(gè)電流的百分比差異為-0.57%，與圖2表格中顯示的誤差相似。

基于已知數(shù)值和測(cè)得的輸出電壓3.28 V，可以計(jì)算LTC3891的效率，如公式4所示。

測(cè)量大電流

使用圖1所示電路。30個(gè)4.7 Ω電阻并聯(lián)連接，形成一個(gè)156.6 mΩ負(fù)載。使用長(zhǎng)10 cm、截面積10 mm2的銅線連接這些電阻。銅的電阻率(ρ)為1.68 × 10-8 mΩm，基于此可計(jì)算銅線的電阻，如公式5所示。

因此，銅線增加的負(fù)載電阻可忽略不計(jì)。

圖9所示為連接到汽車電池的分流電路。使用熱風(fēng)槍將導(dǎo)線焊接到分流器上。

圖9.完整的電流檢測(cè)電路

電壓表連接在負(fù)載兩端和LTC6102的輸出兩端，如圖10所示。115.4 mV的輸出電壓對(duì)應(yīng)于69.38 A的負(fù)載電流。對(duì)于10.76 V電池，計(jì)算得到的負(fù)載電流為68.68 A，因此該器件的電流測(cè)量精度為1%。

圖10.電池電壓和LTC6102的輸出

關(guān)于精度，需要說(shuō)明的是，圖1中R2的容差為5%，50 μΩ分流器也是如此。如果系統(tǒng)要在大電流下進(jìn)行校準(zhǔn)，則應(yīng)測(cè)量每個(gè)負(fù)載電阻的阻值，以便計(jì)算有效并聯(lián)電阻。一旦獲得高精度的負(fù)載電阻值，便可測(cè)量負(fù)載電壓，進(jìn)而確定系統(tǒng)在大電流下工作時(shí)的真實(shí)精度。

結(jié)語(yǔ)

從圖中可以看出，LTC6102提供了一種小尺寸解決方案，可以測(cè)量非常大的電流并產(chǎn)生以地為基準(zhǔn)的輸出。圖1中使用的50 μΩ分流器最大功耗為36 W，這意味著該電路可以高精度地測(cè)量高達(dá)800 A的負(fù)載電流。該器件的額定電壓為60 V（LTC6102HV的額定電壓為105 V），能夠?yàn)楦鞣N應(yīng)用提供出色的解決方案。