深入解析 ZXCT1107/1109/1110 低功耗高端電流監(jiān)測(cè)器

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)電流是一項(xiàng)至關(guān)重要的任務(wù)。Diodes Incorporated 的 ZETEX ZXCT1107/1109/1110 系列低功耗高端電流監(jiān)測(cè)器，憑借其獨(dú)特的特性和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，成為了工程師們的理想選擇。本文將深入剖析這一系列電流監(jiān)測(cè)器，為電子工程師們提供全面的技術(shù)參考。

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產(chǎn)品概述

ZXCT1107/1109/1110 是高端單極性電流感應(yīng)監(jiān)測(cè)器，其最大的優(yōu)勢(shì)在于在感應(yīng)負(fù)載電流時(shí)無(wú)需破壞接地平面。該系列產(chǎn)品具有寬共模輸入電壓范圍和低靜態(tài)電流，采用 SOT23 封裝，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景，如適配器、汽車(chē)以及工業(yè) 24V 軌供電的系統(tǒng)。而且，該設(shè)備由線路供電，無(wú)需單獨(dú)的電源軌，靜態(tài)電流僅為 3μA，可將電流感應(yīng)誤差降至最低。此外，通過(guò)一個(gè)外部增益設(shè)置電阻，還能實(shí)現(xiàn)廣泛的增益范圍，增加了產(chǎn)品的通用性。

產(chǎn)品特性

寬電壓范圍

該系列產(chǎn)品的電源和共模電壓范圍為 2.5V 至 36V，能夠適應(yīng)不同的電源環(huán)境。其中，ZXCT1107 和 ZXCT1109 采用 3 引腳 SOT23 封裝，ZXCT1110 采用 5 引腳 SOT25 封裝。

低靜態(tài)電流

靜態(tài)電流僅為 3μA，有效降低了功耗，減少了電流感應(yīng)誤差。

寬溫度范圍

工作溫度范圍為 -40°C 至 125°C，能夠適應(yīng)各種惡劣的工業(yè)環(huán)境。

汽車(chē)級(jí)認(rèn)證

部分型號(hào)具有 AEC - Q100 Grade1 汽車(chē)級(jí)認(rèn)證，可用于汽車(chē)電子領(lǐng)域。

引腳分配與描述

引腳分配

引腳描述

• OUT：輸出引腳，為電流輸出。
• S+：電流監(jiān)測(cè)器的正輸入，具有寬共模輸入范圍，同時(shí)作為模擬電源為內(nèi)部電路供電，該引腳的電流隨差分感應(yīng)電壓變化。
• S-：電流監(jiān)測(cè)器的負(fù)輸入，具有寬共模輸入范圍。
• GND：接地引腳和襯底連接（僅 ZXCT1110 有）。
• NC：無(wú)連接（僅 ZXCT1110 有）。

需要注意的是，對(duì)于 ZXCT1107 和 ZXCT1109，引腳 1（OUT）既作為輸出引腳又作為襯底連接，因此其最小軌電壓為 2.5V + VOUT。

電氣特性

絕對(duì)最大額定值

該系列產(chǎn)品的絕對(duì)最大額定值包括電壓、電流、溫度等參數(shù)。例如，S - 和 S + 相對(duì)于 OUT（ZXCT1107/9）的電壓范圍為 -0.3V 至 40V，S - 和 S + 相對(duì)于 GND（ZXCT1110）的電壓范圍為 -0.3V 至 40V 等。在設(shè)計(jì)時(shí)，必須確保設(shè)備的工作條件不超過(guò)這些額定值，否則可能導(dǎo)致設(shè)備故障或降低可靠性。

推薦工作條件

推薦工作條件包括共模輸入范圍、差分感應(yīng)輸入電壓范圍、輸出電壓范圍和環(huán)境溫度范圍等。例如，ZXCT1110 的共模輸入范圍為 2.5V 至 36V，差分感應(yīng)輸入電壓范圍為 0V 至 0.5V 等。

電氣參數(shù)

在不同的工作條件下，該系列產(chǎn)品的電氣參數(shù)會(huì)有所變化。例如，在 (T{A}=25^{circ} C)，(V{S{+}}=20 ~V)，(V{SENSE }^{}=100 mV)，(R{GAIN }=0) 的條件下，ZXCT1107 和 ZXCT1109 的 S - 輸入電流在 (V{SENSE } = 0V) 時(shí)，典型值為 19nA；ZXCT1110 的 GND 引腳電流在 (V_{SENSE } = 0V) 時(shí)，典型值為 3μA。

典型特性

輸入電流與溫度、電壓的關(guān)系

通過(guò)典型特性曲線可以看出，輸入電流與環(huán)境溫度和 (V{S+}) 電壓有關(guān)。例如，隨著環(huán)境溫度的升高，輸入電流會(huì)發(fā)生變化；在不同的 (V{S+}) 電壓下，輸入電流也會(huì)有所不同。

輸出電流與溫度、電壓、感應(yīng)電壓的關(guān)系

輸出電流與環(huán)境溫度、輸出電壓和感應(yīng)電壓密切相關(guān)。例如，在不同的感應(yīng)電壓下，輸出電流會(huì)隨著溫度的變化而變化；在相同的感應(yīng)電壓下，輸出電流也會(huì)隨著輸出電壓的變化而變化。

典型交流特性

脈沖響應(yīng)

通過(guò)測(cè)試電路可以得到小信號(hào)脈沖響應(yīng)和大信號(hào)脈沖響應(yīng)曲線。這些曲線可以幫助工程師了解設(shè)備在不同信號(hào)輸入下的響應(yīng)特性，從而優(yōu)化電路設(shè)計(jì)。

共模抑制比（CMRR）

共模抑制比是衡量設(shè)備抑制共模信號(hào)能力的重要指標(biāo)。通過(guò)測(cè)試電路可以得到 CMRR 曲線，該曲線顯示了設(shè)備在不同頻率下的共模抑制能力。

小信號(hào)帶寬

小信號(hào)帶寬是指設(shè)備在小信號(hào)輸入下的頻率響應(yīng)范圍。通過(guò)測(cè)試電路可以得到小信號(hào)帶寬曲線，該曲線顯示了設(shè)備在不同頻率下的增益特性。

應(yīng)用信息

應(yīng)用電路拓?fù)?/h3>

ZXCT1107、ZXCT1109 和 ZXCT1110 都采用類似的高端電流感應(yīng)應(yīng)用電路拓?fù)?，但存在一些小差異。ZXCT1110 有單獨(dú)的接地引腳，而 ZXCT1107 和 ZXCT1109 沒(méi)有。使用 ZXCT1110 可以在某些應(yīng)用中通過(guò)降低輸出失調(diào)電流來(lái)減少絕對(duì)電流測(cè)量誤差。ZXCT1107 提供了與 ZXCT1109 鏡像的引腳分配，便于在非常小的設(shè)備設(shè)計(jì)中進(jìn)行 PCB 布局。

電阻值計(jì)算

在選擇 (R{SENSE}) 時(shí)，需要選擇合適的感應(yīng)電壓，這通常需要在功率效率和給定溫度范圍內(nèi)的精度之間進(jìn)行權(quán)衡。(R{SENSE}) 必須足夠小，以避免電源和負(fù)載之間出現(xiàn)過(guò)大的電壓降；同時(shí)，又必須足夠大，以避免過(guò)大的電流測(cè)量誤差，特別是隨機(jī)誤差。 根據(jù)公式 (R{SENSE }=frac{V{SENSET }}{I{LOADT }}) 可以計(jì)算出 (R{SENSE}) 的值，其中 (V{SENSET }) 為選定的感應(yīng)電壓閾值，(I{LOADT }) 為選定的閾值負(fù)載電流。 (R{GAIN}) 用于將設(shè)備輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓，以便由其他設(shè)備（如比較器、放大器或微控制器系統(tǒng)中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器）進(jìn)行處理。根據(jù)公式 (R{GAIN }=frac{V{OUTT }}{I{OUT }}) 可以計(jì)算出 (R{GAIN}) 的值，其中 (V{OUTT }) 為所需的閾值輸出電壓，(I_{OUT }) 為閾值輸出電流。

設(shè)計(jì)示例

以一個(gè)需要在 12V 電源的負(fù)載電流為 2A 時(shí)提供 2V ±6% 輸出電壓的電流監(jiān)測(cè)器為例。由于電阻的公差為 1%，(R{SENSE}) 和 (R{GAIN}) 總共可能貢獻(xiàn) 2% 的誤差，因此 ZXCT11xx 的誤差不能超過(guò) 4%。從表中可知，當(dāng)感應(yīng)電壓為 100mV 時(shí)，ZXCT1107/1109 的誤差為 3.4%，滿足總誤差要求。 根據(jù)公式計(jì)算可得 (R{SENSE}=100 mV / 2 A=50 m Omega)，(R{GAIN }=frac{2}{0.004 0.1}=5 k Omega)，選擇合適的優(yōu)選值為 5.1kΩ。 若使用 ZXCT1110，根據(jù)公式 (V{SENSE }=frac{0.082}{varepsilon-1.8})（(varepsilon = 4%)）可得 (V{SENSE }=37.2 mV)，則 (R_{SENSE}=37.2 mV / 2 A=18.6 m Omega)，選擇合適的優(yōu)選值為 20mΩ，此時(shí)感應(yīng)電壓為 (2 ~A 20 ~m Omega=40 mV)，(R_{GAIN }=frac{2}{0.004 * 0.04}=12500 Omega)，選擇合適的優(yōu)選值為 13kΩ。

保護(hù)與濾波

在負(fù)載短路或過(guò)載的情況下，感應(yīng)端子之間可能會(huì)出現(xiàn)較大比例的電源電壓。為了保護(hù)電流監(jiān)測(cè)器，可使用電阻 (R{PROT}) 限制電流，避免引入顯著的電流測(cè)量誤差。 此外，在許多應(yīng)用中，電路需要在存在 RF 輻射的環(huán)境下工作。為了減少 RF 輻射對(duì)電路的影響，可使用低通濾波器（(R{PROT}) 和 C1）在 VHF 和 UHF 區(qū)域提供顯著的衰減。C1 的值建議在 10pF 至 47pF 之間，采用無(wú)引線陶瓷類型。

PCB 布局考慮

在 PCB 布局時(shí)，需要考慮 PCB 銅箔和焊錫連接處到 (R_{SENSE}) 的小電壓降。這種電壓降在電流達(dá)到 1A 及以上時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生明顯的誤差。因此，PCB 設(shè)計(jì)應(yīng)確保通過(guò)感應(yīng)電阻的銅箔承載電流最大，并且 S + 和 S - 引腳的走線應(yīng)僅連接到電阻焊盤(pán)，以最小化銅箔的影響。如果使用電容 C1，應(yīng)將其放置在靠近輸入引腳 S + 和 S - 的位置。

高壓電流監(jiān)測(cè)應(yīng)用

該系列產(chǎn)品可用于高壓應(yīng)用，如 TV LED 背光系統(tǒng)。在這種應(yīng)用中，通過(guò) PNP 晶體管 Q1 降低大部分電源電壓，二極管 D2 限制過(guò)載條件下的差分輸入電壓，齊納二極管 D1 限制 U1 兩端的電壓，D2 限制 U1 的輸出電流。

訂購(gòu)信息

該系列產(chǎn)品提供不同的封裝和包裝形式，如 ZXCT1107SA - 7 采用 SOT23 封裝，7” 卷軸，每卷 3000 個(gè)；ZXCT1109SA - 7 采用 SOT23 封裝，7” 卷軸，每卷 3000 個(gè)；ZXCT1110W5 - 7 采用 SOT25 封裝，7” 卷軸，每卷 3000 個(gè)。

總結(jié)

ZXCT1107/1109/1110 系列低功耗高端電流監(jiān)測(cè)器具有寬電壓范圍、低靜態(tài)電流、寬溫度范圍等優(yōu)點(diǎn)，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景。在設(shè)計(jì)應(yīng)用電路時(shí)，需要根據(jù)具體需求選擇合適的型號(hào)和電阻值，并注意保護(hù)、濾波和 PCB 布局等方面的問(wèn)題。希望本文能為電子工程師們?cè)谑褂迷撓盗挟a(chǎn)品時(shí)提供有益的參考。你在使用這些電流監(jiān)測(cè)器時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。