1 动态范围 (DR) 与满量程 (FSR)

随着应用范围的不断扩大，设计人员发现他们需要在设计中监视更大范围的电流。随着需要大电流的高功率应用不断扩展，同时半导体组件的发展进步使得分辨率支持在低至纳安的范围内成功完成测量，设计人员一直在寻找能够实现更宽测量范围的方法和拓扑。

有几种方法定义应用的范围，这些方法可以参考特定器件的输入或输出。通常，器件在应用中能够测量的最大输入测量范围与最小输入测量范围之比称为应用的动态范围，而最大可测的量称为满量程。满量程通常用于描述模数转换器 (ADC) 设计中可达到的最大值。例如，旨在实现 5A 至 25A 的测量范围的电流检测放大器的动态范围为 5:1，且满量程输入范围为 25A。不过，满量程也可能是指放大器可实现的最大输出，通常称为满量程输出范围。

对于电流检测放大器设计，最简单来讲，目标是通过分流电阻器将电流信号范围转换为电压范围，并提供选定的增益来将该信号映射到放大器能够支持的最大输出电压范围内。对于大多数电流检测放大器，可供利用的输出范围为从比地电平高几毫伏到比电源轨低几毫伏（尽管为了获得最佳结果，还应该考虑放单器的线性工作范围）。但随着应用的动态范围变得更宽，这种简单的设计规划开始变得行不通。此时，可以讨论各个设计方面，以了解要做出的权衡取舍以及动态范围会受到怎样的影响。

使用电流检测放大器进行设计时，设计构建上存在一些自由度，其中分流电阻器上测得的电流与放大器的输出之间的典型关系公式如Equation6 所示：

从Equation6 可以看到，设计人员基本上拥有三个选项来帮助他们构建设计：电源电压的幅度、所选的增益选项，以及分流电阻器的大小。

• 电源电压

  在需要宽动态范围的设计中，尽管下游电路也可能会影响该选择，但建议最大程度地增加电源电压，以便为设计提供最宽的输出范围。如果提供的 V_S 小于建议的最大值，则会直接导致单个器件的动态范围缩小。

• 增益

  选择具有较大增益的放大器通常是个折衷之法：这样可以减小失调电压的影响，能够针对较小的信号生成更高的信号完整性（对信号进行数字化处理时，选择较大的增益还能提高分辨率），从而减小低量程区域内的误差。不过，增益越大，放大器的输出也会越快地达到最大值，简单地说就是其支持的动态范围也越小。因此，增加增益通常在精密范围设计中更加有用。在这类设计中，测量的动态范围相当小，或者也可以扩展放大器的电源电压范围以支持更高端的输出。

  例如，当系统采用 INA293 和 5V 电源时，设计所需的范围为 20mA 至 1A。在将共模抑制比 (CMRR) 忽略不计的情况下，如果设计人员要实现 200mΩ 分流电阻器，则在 20mA 条件下生成的分流电压为 4mV，并且根据电流检测放大器比较和误差工具 中所述，此时 A1 型号的误差为 3.86%。假设需要更高的精度，则可考虑设置使用 A2 型号；在相同的测量条件下，误差现在减小至 2.12%。不过，此器件迁移的缺点是通过升高到更高的增益，该设计中放大器可测量的最大允许范围会减小。在这种情况下，虽然下限的误差有所减少，但这也导致该设计无效，因为对于 200-mΩ 分流器， 1A 不再是可实现的测量，A2 器件会在 485mA 处达到饱和，如Equation2 和Equation3所示。

  Equation2. $I_{LOAD,MAX, A1}=\frac{V_{OUT,MAX}}{GAIN\times R_{SHUNT}}=\frac{4.85 V}{20\frac{V}{V}\times 200 m\mathrm{\Omega }}=1.2125 A$
  Equation3. $I_{LOAD,MAX, \mathrm{A)}2}=\frac{V_{OUT,MAX}}{GAIN\times R_{SHUNT}}=\frac{4.85 V}{50\frac{V}{V}\times 200 m\mathrm{\Omega }}=0.485 A$

  因此，对于本白皮书主题中所述的更宽的测量范围，结果表明较小的增益可以使动态范围达到最大，因此此类设计，通常会选择 A1 型号。表 1-1 中汇总了此示例。

  表 1-1 增益更改影响汇总

  器件型号	增益 (V/V)	20mV 时的误差 (%)	最大测量负载 (A)
  INA293A1	20	3.86	1.2125
  INA293A2	50	2.12	0.485

• 分流电阻器

  分流电阻器是在给定系统中需要考虑的最后一个方面。分流电阻器设计的挑战是优化低端时的误差以及高端时的分流功率损耗。对于特定的电流点，欧姆定律非常清楚；要生成额外的电压信号而忽略失调电压的影响，则必须增加分流电阻器的电阻。然而，其代价是损耗电阻，表现为发热，在很多情况下，对于给定的设计来说，成功地管理这一点可能会成为一个挑战。

  以使用 INA240 来测量 100A 的最大电流的任意高电流应用设计为例。考虑到 INA240 的摆幅限制，假定器件供电电源为 5V，INA240 能够提供的最大最坏情况下的输出为 4.8V，而假定使用 A1 型号 (GAIN = 20V/V) 时，设计中能够使用的最大分流电阻为：

  Equation4. ${\mathrm{R}}_{\mathrm{SHUNT}, \mathrm{最大值}}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{OUT}, \mathrm{最大值}}}{\mathrm{增益}\times {\mathrm{I}}_{\mathrm{负载},\mathrm{最大值}} }=\frac{4。8 \mathrm{V}}{20{\displaystyle \frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}}\times 100 \mathrm{A}}=2.4 \mathrm{m\Omega }$

  此结果表明，可以选择高达 2.4mΩ 的分流电阻，而不会导致器件出现饱和（尽管通常建议从电源轨上保留一些裕量），但这并一定意味着这就是该设计的最佳分流电阻。虽然本白皮书中选择的此分流电阻能够最大限度地确保被测负载上的信号完整性，但在最大电流电平下分流电阻上消耗的功率为 24W。

  Equation5. ${\mathrm{P}}_{\mathrm{LOSS},\mathrm{SHUNT}}={{\mathrm{I}}_{\mathrm{负载}}}^2\times {\mathrm{R}}_{\mathrm{SHUNT}}=(100 \mathrm{A}{)}^2\times 2.4 \mathrm{m\Omega }=24 \mathrm{W}$

  最后，根据最后一个示例，还可以检查所需的动态范围，因为如果可以选择更大的增益，同时仍能捕捉必要的测量范围，则可以按照此相同的因数减少分流电阻。

  对于很多应用，这可能会超出系统可管理的散热限制，并需要重新考虑分流电阻选择，而不是按照该值进行设计。此处的替代方案是选择比所计算出最大值更小的分流电阻，因为选择较小的分流电阻可以按比例减少损耗的功率，但代价是信号完整性会受损，即无法利用该器件可实现的满量程输出范围。这也降低了低端时测量的信号完整性，导致误差增加，其中放大器的失调电压可能会损害测量的精度。