我目前正在研究一個(gè)號稱(chēng)“無(wú)損耗的”電流檢測設計（參見(jiàn)下面的電路圖片段）。有電阻存在它是如何實(shí)現無(wú)損耗的呢？ 另外，電容器的作用是什么？ 它看起來(lái)像個(gè)濾波器，但又似乎不對，有許多需要濾波的噪音嗎？ 這個(gè)電路有效嗎？ 我是一個(gè)有著(zhù)豐富閱歷的人，因此我知道凡人是無(wú)法達到完美境界的。該電路有哪些危險性和局限性？

 

—Vijay in Vallejo

您好，Vijay。確實(shí)，我一切都好，事實(shí)上是更好。我剛完成了一個(gè)跨州的頭等艙（只會(huì )是頭等艙）長(cháng)線(xiàn)飛機旅行，在林肯中心欣賞了大都市歌劇院演出的雅克·奧芬巴赫未完成的杰作《霍夫曼的故事》。然而，您寫(xiě)信給我的目的不是討論法國歌劇，但我希望您可以縱容我一下，我在工作時(shí)就想象成我正在揮舞著(zhù)手臂，附和著(zhù)男中音歌手重演。

 

與電感器串聯(lián)的電阻表示電感器的串聯(lián)電阻。該繞線(xiàn)電阻始終存在。我們可以最小化該電阻，但卻不能消除它。之所以說(shuō) ESR 檢測電路沒(méi)有損耗，是因為我們沒(méi)有添加任何額外的電流檢測電阻，我們只是使用不可避免的電阻。

 

正如你所猜測的，電容器不是濾波器，但可以視為一個(gè)重建器件，其電容電壓是電感電流的模擬。

 

我會(huì )擴展您的電路并包括更多典型元件。在圖 1 中，注意添加的典型同步降壓開(kāi)關(guān)節點(diǎn)波形以及產(chǎn)生的電感電流。說(shuō)明： 節點(diǎn)數量與 PSPICE 文件匹配。

如何選擇 R2 和 C1？ 很簡(jiǎn)單，設置 L/R = RC，因而 RL 網(wǎng)絡(luò )的阻抗與 RC 網(wǎng)絡(luò )的阻抗匹配；由于網(wǎng)絡(luò )匹配，電容器兩端的電壓模擬電感器電流。說(shuō)明： 若 VC 過(guò)度驅動(dòng)電流檢測放大器，R3 就可用來(lái)縮放VC。說(shuō)明： 若使用 R3，則阻抗匹配計算中所用的 R 應該是 R2 和 R3 并聯(lián)等效值。為了利用一定的濾波，我們通常希望 C1 至少為 0.1μF。

我們可以看到 VC模擬 IL（如圖2模擬所示），其中綠色曲線(xiàn)是電感器電流，而紅色曲線(xiàn)是電容器電壓?？梢钥吹讲ㄐ纹ヅ涞煤芎?。

圖3波形是通過(guò)簡(jiǎn)單的 PSPICE 仿真繪制的。說(shuō)明： 曲線(xiàn)自 950 uSec 開(kāi)始，允許諧振 LC（其中 C 是指大容量輸出電容）網(wǎng)絡(luò )達到接近穩態(tài)。還請注意用于覆蓋波形的 Y 軸比例。

圖3這個(gè)電路有效嗎？ 當然有效，這個(gè)電路在業(yè)界很常見(jiàn)，用于很多地方。

 

您最后那個(gè)關(guān)于危險性和局限性的問(wèn)題很富有洞察力。該電路有哪些問(wèn)題呢？

 

首先，為了處理更高的電流，我們使用較大的銅導線(xiàn)，電感器的 ESR 就會(huì )降低。這意味著(zhù) VC波形的幅度會(huì )變小而對應的信噪比會(huì )變差。在我們的例子中，注意對于 36.5 A 的電流，我們得到 8.92 mV 的 VC信號。在嘈雜的電源環(huán)境中，很難測量沒(méi)有顯著(zhù)噪聲耦合的毫伏信號，我們總是推薦使用差分跟蹤路由、隔離和屏蔽，尤其是對于開(kāi)關(guān)節點(diǎn)的振鈴。當然，更低電流的信噪比更差，其中，VC接近微伏，這樣低電流測量就更加不準確。

 

測得電流的容差堆積存在更大的問(wèn)題。電感器 ESR 可能有一個(gè)初始±7%的容差。銅的正溫度系數每度大概增加 0.4%。對于 75 度的溫升，這意味著(zhù) 290 uOhm 銅電阻大概增加 87 微歐 (+30%)。實(shí)際上，很難使得整體 ESR 電流檢測精度高于 ±15%，盡管可以通過(guò)溫度補償電路實(shí)現一定程度的改善。

 

為了方便討論，我們可以假設您正在設計一個(gè)提供 35 A 穩態(tài)電流的電路。為了避免錯誤觸發(fā)瞬態(tài)負載，可以將 OCP（過(guò)流保護）觸發(fā)電流設置為 50 A。假設整體誤差為 15%。這就說(shuō)，當您認為輸出電流是 50 A 時(shí)，它實(shí)際上要高出 15% (57.5A)。那么，現在您設計的電路必須能夠以無(wú)損方式以 57.5 A 的恒流運行，盡管您通常只使用 35 A。這就是大量過(guò)度開(kāi)銷(xiāo)，而過(guò)度設計耗費的是真實(shí)的金錢(qián)。有一個(gè)選擇是使用一個(gè)精密電流檢測電阻與電感器串聯(lián)。這會(huì )提高精度，但會(huì )花費金錢(qián)并浪費功率——這樣的事情會(huì )使設計管理團隊血壓升高。

 

正是由于這些顧慮，如今對電流檢測的關(guān)注度才這么高，并且為提高電流檢測電路的精度度作出了很大的努力。

 

現在，在進(jìn)行了這么多的武斷討論后，抱歉，我可以用含鉛水晶玻璃杯小酌一杯令人神清氣爽的單麥芽威士忌了。不摻水的。