无电阻传感解决方案的电流测量优化设计
测量系统中的电流是监控系统状态的基本但强大的工具。借助先进的技术，电子或电气系统的物理尺寸大大缩小，降低了功耗和成本，而在性能方面并没有太大的折衷。每个电子设备都在监控自己的健康和状态，这些诊断提供了管理系统所需的重要信息，甚至决定了其未来的设计升级。
越来越需要测量系统中从微小电流水平到几安培电流的各种电流。例如，在以下情况下可以看到确定系统中电流或消耗的高动态范围：
睡眠/非活动电流，用于确定除正常操作之外的整体负载性能和电池/电源功率估计。
ate/测试环境需要处理微小/低微安电流水平以安培电流水平，从而需要研发或生产水平测试。
生产车间环境以捕捉生产问题（ic 下的助焊剂、不必要的焊接短路或开路）以及正常的操作功能测试。
工业设备监控，开启和关闭期间的功耗提供了设备的健康状况，例如，监控设备中的正常电流和泄漏电流以确定其随时间的磨损。
图 1. 电流检测放大器 (csa) + 检测电阻。
图 1 显示了一个带有检测电阻的 csa。 在高达 80v 的较高电压电平（共模电平）应用中，一个简单的外部电流检测放大器 （csa）（但复杂的集成电路设计，其架构满足精度和准确度要求）和检测电阻器是解决方案测量电流时的大多数问题。电流检测放大器目前具有一流的准确度和精度，可满足实现微安电流水平的需求，同时仍保持更好的信噪比 （snr） 性能，以提供系统设计所需的测量分辨率。
然而，为设计师选择优化的 csa 并非易事。有一些权衡需要考虑（图 2）：
可用供应
最小可检测电流（转换为器件的输入失调电压 （v os ） 有多低）
最大可检测电流（转换为最大输入检测电压 （v sense ））
r sense上允许的功耗
图 2. 使用 csa 和 r sense时要考虑的设计约束。
由于差分电压范围是由电流检测放大器的选择设置的，因此增加 r sense值可以提高较低电流值的测量精度，但在较高电流时功耗较高，这可能是不可接受的。此外，感测电流的范围减小（i min ： i max）。
降低 r sense值更有利，因为它降低了电阻器的功耗，增加了感测电流范围。降低 r sense值会降低 snr（可以通过平均输入处的噪声来提高 snr）。应该注意的是，在这种情况下，设备的偏移会影响测量的准确性。通常，在室温下进行校准是为了提高系统精度，消除偏移电压并增加某些系统的测试成本。
此外，输入差分电压范围 （v sense ） 取决于电源电压或内部/外部参考电压和增益：
在任何实现高电流范围的应用中，目标是最大化目标精度预算的动态范围，这通常由以下等式估算：
对于大多数输入失调电压约为 10μv 的 csa， v sense-range通常为 100mv。请注意，如果 v sense_min选择为 10xv os因子，则在未校准系统中，这最多可提供 3 个十倍频程，误差为 ±10%。同样，如果选择 100xv os，则可以实现 ±1% 的误差范围，但动态范围会缩小到 2 个十倍频程。因此，需要在动态范围和精度之间进行权衡：收紧精度预算会降低 v sense_min规定的动态范围，反之亦然。
需要注意的一点是，在 csa + r sense系统中，r sense（容差和温度系数）通常是系统总精度的瓶颈。这仍然是业界监控/测量系统电流的有效做法，因为与电量计、集成芯片电阻器的 csa、使用运算放大器的差分放大器的离散实现等其他替代品相比，它简单、可靠且成本合理。可以找到更高等级的容差和温度系数检测电阻器，但价格更高。应用在温度范围内的总误差预算需要与 r sense产生的误差相等。
无电阻传感解决方案：
对于需要测量从几百微安到几安培的更高动态范围电流的应用，下图 3 所示的集成电流传感设备 （u1） 是非常有用且有效的解决方案。该解决方案符合以下标准：
集成传感元件（无电阻）
大于 4 十倍频程的电流感应动态范围
电流输出功能（与 160ω 负载一起提供 0-1v v out，兼容所有 adc/微控制器输入以实现电流）。
图 3：具有集成电流感应元件的 2.5v 至 5.5v 电流感应系统
代替外部检测电阻器，v dd输入和负载 （ld） 输出之间存在集成检测器件，能够测量100ua 至 3.3a的系统负载电流 （i load ）。增益为 1/500 的内部增益模块提供 ish 的输出电流，即 。 一个 160ω 电阻从 ish 电流输出连接到 gnd，转换为从 0v 到 1v的 v ish电压输出。
在 3a 负载电流下（图 1），传感元件器件上的 v dd和 ld 上的压降约为 60mv，仅相当于 180mw 的功耗，而在较低的电流值下，检测到 100μa 范围的总误差在该区域内10%（图 2）。再加上在较高电流负载下功耗更低，并且在较低电流水平下仍保持改进的误差预算，该方案优于图 1 的传统检测电路。因此，需要高达 3a 检测的更宽电流检测范围的应用可以从该方案中受益。
具有扩展线路/输入电压的无电阻传感解决方案：
图 4 是图 3 的输入电压范围扩展，其中 u1 的电源电压现在可以接受更高的线路电压，高达 6v 至 36v。齐纳二极管 （d1） 将 v dd和 pfet （m1） 栅极之间的电压保持在5.6 v。高压线的大部分被 m1 吸收，m1 的源极钳位到距离 v 大约 4v-4.5v dd输入电压，从而将 u1 工作电压 （v dd -v ss ） 保持在其正常工作范围内（图 3）。然后，这个 m1 的源极电压偏置 m2 pfet 的栅极电压。m2 pfet 源极位于 v ss （u1） + v th（m2） 确保 u1 ish 输出在可接受的电压范围内。ish 电流输出和 r1 产生相对于 gnd 的 0 至 1v 输出。
图 4. 具有集成电流感应元件的 6v 至 36v 电流感应系统
参考设备描述
d1cmfz46905.6v齐纳
m1bsp322ph6327xtsa1mosfet p-ch 100v 1a sot-223
m2bsp322ph6327xtsa1mosfet p-ch 100v 1a sot-223
u1max40016anl+wlp 封装中的四个十年无电阻器 csa
实验结果
下面是图 4 电路的实验结果。
图 1：内部传感元件上的电压降与负载电流的关系
图 2：ish 输出的增益误差与不同温度下的负载电流
图 3：max40016 电源电压 （v dd -v ss ） 与 v line的函数关系
图 4. i load阶跃变化从 0 到 3a 的负载瞬态响应。
图 5. 3a i load的上电瞬态响应。
结论
如图所示，无电阻传感方法使设计具有高达 36v 的扩展工作范围的 4-decade 电流传感架构成为可能。
作者bich pham 于 2000 年加入maxim integrated，担任客户应用工程师，现在是技术人员的高级成员，他仍然专注于帮助客户解决现实世界的设计挑战。bich 拥有加利福尼亚州圣何塞州立大学的电子工程学士学位。
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此外，输入差分电压范围 （v sense ） 取决于电源电压或内部/外部参考电压和增益：
在任何实现高电流范围的应用中，目标是最大化目标精度预算的动态范围，这通常由以下等式估算：
对于大多数输入失调电压约为 10μv 的 csa， v sense-range通常为 100mv。请注意，如果 v sense_min选择为 10xv os因子，则在未校准系统中，这最多可提供 3 个十倍频程，误差为 ±10%。同样，如果选择 100xv os，则可以实现 ±1% 的误差范围，但动态范围会缩小到 2 个十倍频程。因此，需要在动态范围和精度之间进行权衡：收紧精度预算会降低 v sense_min规定的动态范围，反之亦然。
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