高性能電流檢測放大器AD8417 - 2：設(shè)計與應(yīng)用全解析

在電子工程師的日常設(shè)計中，電流檢測是一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，它廣泛應(yīng)用于電機(jī)控制、電源管理等眾多領(lǐng)域。今天，我們就來深入探討一款高性能的電流檢測放大器——AD8417 - 2，它在小尺寸封裝下展現(xiàn)出了卓越的性能，為工程師們帶來了更多的設(shè)計可能性。

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產(chǎn)品特性概覽

高精度與低漂移

AD8417 - 2具有典型的0.1μV/°C失調(diào)漂移，在全溫度范圍內(nèi)最大電壓失調(diào)為±400μV。這種低失調(diào)漂移特性使得它在不同溫度環(huán)境下都能保持高精度的測量，有效減少了因溫度變化而帶來的測量誤差。這對于那些對溫度穩(wěn)定性要求較高的應(yīng)用場景，如工業(yè)自動化中的電機(jī)控制，尤為重要。

寬工作范圍

它的電源工作范圍為2.7V至5.5V，能夠適應(yīng)多種不同的電源系統(tǒng)。同時，其共模輸入電壓范圍為 - 2V至 + 42V，可連續(xù)工作，這使得它在處理高共模電壓的應(yīng)用中表現(xiàn)出色。此外，它的工作溫度范圍為 - 40°C至 + 125°C，能在較為惡劣的環(huán)境條件下穩(wěn)定運(yùn)行。

集成EMI濾波器

該放大器內(nèi)部集成了電磁干擾（EMI）濾波器，能夠有效抑制外界電磁干擾對測量結(jié)果的影響，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。在一些電磁環(huán)境復(fù)雜的場合，如工業(yè)現(xiàn)場的電機(jī)控制系統(tǒng)中，這一特性可以確保測量的準(zhǔn)確性和可靠性。

高增益與高CMRR

初始增益為60V/V，在整個溫度范圍內(nèi)最大增益誤差為±0.3%，能夠提供穩(wěn)定且準(zhǔn)確的放大倍數(shù)。同時，其共模抑制比（CMRR）在直流至10kHz范圍內(nèi)達(dá)到了86dB，能夠很好地抑制共模信號，突出差分信號，從而提高測量的精度。

小尺寸與雙通道設(shè)計

采用了1mm×1.9mm的WLCSP小尺寸封裝，并且集成了雙通道，在節(jié)省電路板空間的同時，提高了通道密度。這對于那些對電路板空間要求較高的應(yīng)用，如便攜式設(shè)備的電源管理，具有很大的優(yōu)勢。

工作原理剖析

AD8417 - 2是一款單電源、零漂移的差分放大器，采用了獨特的架構(gòu)，能夠在快速變化的共模電壓下準(zhǔn)確放大小的差分電流分流電壓。其專利技術(shù)（美國專利8,624,668 B2）有效消除了快速變化的外部共模變化帶來的負(fù)面影響。

參考輸入引腳VREF1和VREF2通過100kΩ電阻連接到主放大器的正輸入端，這使得輸出失調(diào)可以在輸出工作范圍內(nèi)的任意位置進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)參考引腳并聯(lián)使用時，從參考引腳到輸出的增益為1V/V；當(dāng)用于分壓電源時，增益為0.5V/V。

輸出失調(diào)調(diào)整策略

單向操作

單向操作允許AD8417 - 2測量通過電阻分流器的單向電流。它有兩種基本模式：地參考輸出模式和VS參考輸出模式。

• 地參考輸出模式：將兩個參考輸入都接地，當(dāng)輸入差分電壓為0V時，輸出位于負(fù)軌（接近地）。當(dāng)施加正確極性的差分輸入電壓時，輸出向相反的軌移動。
• VS參考輸出模式：將兩個參考引腳都連接到正電源，通常用于在向負(fù)載供電之前需要檢測放大器和布線的診斷方案中。

雙向操作

雙向操作允許AD8417 - 2測量通過電阻分流器的雙向電流。輸出可以設(shè)置在輸出范圍內(nèi)的任意位置，通常設(shè)置為半量程，以實現(xiàn)兩個方向的等范圍測量。在雙向電流不對稱的情況下，也可以設(shè)置為非半量程的電壓。通過向參考輸入施加電壓來調(diào)整輸出，VREF1和VREF2連接到內(nèi)部電阻，這些電阻連接到內(nèi)部失調(diào)節(jié)點，兩個引腳在操作上沒有區(qū)別。

外部參考輸出

將兩個引腳連接在一起并連接到參考電壓，當(dāng)沒有差分輸入時，輸出等于參考電壓。當(dāng)輸入相對于 - IN引腳為負(fù)時，輸出降低參考電壓；當(dāng)輸入相對于 - IN引腳為正時，輸出升高。

電源分割與外部參考分割

• 電源分割：將一個參考引腳連接到VS，另一個連接到地，當(dāng)沒有差分輸入時，輸出設(shè)置為電源的一半。這種配置的好處是不需要外部參考來偏移輸出，以進(jìn)行雙向電流測量。
• 外部參考分割：使用內(nèi)部參考電阻將外部參考電壓精確地分割為原來的一半，精度約為0.2%，方法是將一個VREFX引腳接地，另一個VREFX引腳連接到參考電壓。

應(yīng)用領(lǐng)域拓展

電機(jī)控制

• 三相電機(jī)控制：AD8417 - 2非常適合監(jiān)測三相電機(jī)應(yīng)用中的電流。其250kHz的典型帶寬能夠?qū)崿F(xiàn)瞬時電流監(jiān)測，并且典型的低失調(diào)漂移（0.1μV/°C）確保了在不同溫度下電機(jī)兩相之間的測量誤差最小。此外，它能夠在 - 2V至 + 42V（5V供電）的范圍內(nèi)抑制PWM輸入共模電壓，通過監(jiān)測電機(jī)相電流，可以在任何點對電流進(jìn)行采樣，并提供診斷信息，如接地短路和電池狀態(tài)。
• H橋電機(jī)控制：在H橋電機(jī)控制的控制回路中，將分流電阻放置在H橋中間，使用AD8417 - 2可以準(zhǔn)確測量兩個方向的電流。與簡單的地參考運(yùn)算放大器相比，這種方法克服了接地參考不穩(wěn)定導(dǎo)致的測量不準(zhǔn)確問題，因為在這種應(yīng)用中，地通常不是一個穩(wěn)定的參考電壓。

螺線管控制

• 低側(cè)開關(guān)的高端電流檢測：在低側(cè)開關(guān)的高端電流檢測配置中，PWM控制開關(guān)接地。將電感負(fù)載（螺線管）連接到電源，并在開關(guān)和負(fù)載之間放置一個電阻分流器。這種配置的優(yōu)點是能夠測量包括再循環(huán)電流在內(nèi)的整個電流，并且由于分流器在開關(guān)關(guān)閉時仍在回路中，因此可以增強(qiáng)診斷功能，檢測接地短路。
• 高側(cè)開關(guān)的高端電流檢測：高側(cè)開關(guān)的高端電流檢測配置可以最大程度地減少意外螺線管激活和過度腐蝕的可能性。開關(guān)和分流器都在高端，當(dāng)開關(guān)關(guān)閉時，電池與負(fù)載斷開，防止了潛在的接地短路損壞，同時仍能測量再循環(huán)電流并提供診斷信息。
• 高軌電流檢測：在高軌電流檢測配置中，分流電阻參考電池，電流檢測放大器的輸入處存在高電壓。AD8417 - 2能夠產(chǎn)生線性的地參考模擬輸出，同時AD8214可以在100ns內(nèi)提供過流檢測信號，這在需要快速過流保護(hù)的高電流系統(tǒng)中非常有用。

設(shè)計要點提示

布局建議

由于AD8417 - 2采用了WLCSP封裝，隨著器件功能的增加和尺寸的減小，電路板制造可能會變得更加復(fù)雜。建議參考AN - 617應(yīng)用筆記《晶圓級芯片尺寸封裝》，其中包含了印刷電路板（PCB）布局和組裝以及WLCSP關(guān)鍵電路板設(shè)計參數(shù)的信息。在雙向電機(jī)控制應(yīng)用中，VREF1引腳通常連接到V + 引腳，VREF2引腳通常連接到地，這樣可以在PCB的單層上簡單地進(jìn)行布線。

分流電阻選擇

在選擇合適的分流電阻時，需要考慮多個因素，包括電阻值、尺寸、成本、公差、功率耗散和熱漂移等。電阻值通常根據(jù)在最高預(yù)期電流下產(chǎn)生的期望最大差分電壓來選擇，同時要考慮功率損耗預(yù)算，并確保在滿量程電流下輸出最大化，充分利用系統(tǒng)的動態(tài)范圍。分流電阻的公差直接影響電流測量的整體增益誤差，為了獲得最佳性能，建議選擇0.1%（或更低公差）的分流電阻，以避免引入比AD8417 - 2本身更大的增益誤差。此外，分流電阻的功率耗散會導(dǎo)致自熱，從而引起溫度變化和非線性誤差，因此應(yīng)選擇具有低溫度系數(shù)的分流電阻，以最小化自熱和熱非線性。

分流電阻連接

分流電阻連接在電流檢測放大器任一通道的輸入引腳之間。由于分流電阻通常具有非常低的電阻，建議使用4線開爾文連接，以避免感應(yīng)任何寄生PCB走線電阻，從而實現(xiàn)高精度的電流檢測測量。在進(jìn)行開爾文連接時，應(yīng)將感應(yīng)點放置在電阻的外部末端，以獲得最佳的測量效果。

AD8417 - 2以其出色的性能和靈活的應(yīng)用方式，為電子工程師在電流檢測設(shè)計中提供了一個強(qiáng)大的工具。通過合理的設(shè)計和布局，充分發(fā)揮其優(yōu)勢，可以在各種應(yīng)用場景中實現(xiàn)高精度、高可靠性的電流檢測。你在實際設(shè)計中是否遇到過類似的電流檢測問題？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。