设计说明

本指导手册旨在演示为具有高共模电压的系统设计精确电流检测方案的方法。该设计的原理是使用单向电路来监视 V_cm = 400V 的系统，方法是将电源总线 (V_cm) 提供的器件电源悬浮在齐纳二极管上。本指导手册基于高电压 12V – 400V 直流电流检测参考设计。

设计说明

1. 电流检测放大器入门 视频系列介绍了电流检测放大器的实现方式、相关误差源和高级主题。
2. 该示例适用于高 V_CM 高侧单向直流检测。
3. 为了更大限度地减少误差，请使分流电压与设计允许的值一样大。对于 INA138 器件，保持 V_sense 远大于 15mV。
4. 输入偏移引起的相对误差随着分流电压的降低而增加，因此应使用具有低失调电压的电流检测放大器。必须使用精密电阻器作为 R_shunt，因为 R_shunt 是误差的主要来源。
5. INA138 是一款电流输出器件，因此采用高电压双极结型晶体管 (BJT) 实现了以接地为基准的电压。
   • 确认为 Q1 选择的晶体管能够承受集电极和发射极上的最大电压（例如，需要 400V，但选择大于 450V 以实现余量）。
   • 多个 BJT 能够以串联方式堆叠和偏置，以实现更高的电压。
   • 该晶体管的高 β 值降低了从基极泄漏出的电流的增益误差。

设计步骤

1. 确定工作负载电流并计算 R_shunt：
   • 建议的 V_sense 为 100mV，建议的最大值为 500mV，因此可以使用以下公式来计算 R_shunt，其中 V_sense ≤ 500mV：
     
   • 为了在工作温度范围内进行更精确的测量，可以在某些系统中使用具有集成分流电阻器的电流监控器。
2. 选择齐纳二极管为 INA138 电源创建合适的压降：
   • 二极管的齐纳电压应处于 2.7V 至 36V 的 INA138 电源电压范围内，并且需要大于所需的最大输出电压。
   • 齐纳二极管电压调节 INA138 电源并防止受到瞬变的影响。
   • 数据表参数是针对以 GND 引脚为基准的 12V V_in+ 定义的，因此选择了 12V 的齐纳二极管。
3. 确定齐纳二极管的串联电阻：
   • 由于其压降（在本例中高达 388V），该电阻器 (R3) 是主要的耗电器件。如果 R3 过低，那么它会耗散更多功率，但如果它过高，R3 不允许齐纳二极管正常雪崩。由于数据表为 V_S = 5V 指定了 I_Q，因此在 V_S = 12V 的情况下估算 INA138 器件的最大静态电流为 108µA，并使用齐纳二极管的偏置电流 5mA 来计算 R3，如下所示：
     
   • 可使用以下公式来计算该电阻器的功耗：
     
4. 可使用适用于 INA138 数据表中的输出电流的公式来计算 R_out。
   • 该系统是针对 10V/V 增益设计的，其中当 V_sense = 100mV 时 V_out = 1V：
     
     

设计仿真

直流仿真结果

下图显示了 0.5A 至 10A 负载电流 (12V ≤ V_cm ≤ 400V) 的线性输出响应。一旦齐纳二极管反向偏置，I_out 和 V_out 就在 V_cm 变化时保持恒定。

稳态仿真结果

下图显示了该系统在负载电流为 2A 时处于直流稳态的情形。输出电压比在 R_shunt 上测得的电压大 10 倍。

设计参考资料

德州仪器 (TI)，SPICE SGLC001 仿真文件，SBOA295 软件支持

德州仪器 (TI)，电流检测放大器，高精度实验室视频系列

德州仪器 (TI)，扩展电流输出电流分流监控器的共模电压范围，应用简报

德州仪器 (TI)，高电压 12V–400V 直流电流检测参考设计，TIDA-00332 工具

德州仪器 (TI)，SBOA295 的源文件，设计工具

德州仪器 (TI)，电流检测放大器，产品页

设计采用的电流分流监控器

设计备选电流分流监控器