高邊和低邊電流測試技術分解

當代電子系統中的電源管理可以通過高效的電源分配優化系統效率。電流測試是電源管理的關鍵技術之一，它不僅有助于保持理想的電壓等級，而且能通過供應伺服調整保持電子系統處于正常狀態，同時還能戒備發生電路故障和電池過度放電。

電流的測試有兩種基本的方案。一種是測量電流流過的導體周圍的磁場，另一種是在電流路徑中插入一個小電阻，然后測量電阻上的壓降。第一種辦法不會引起干擾或引入插損，但成本相比較較昂貴，而且容易萌生非線性效響應溫度系數誤差。因此磁場測試辦法通常局限于能夠承受與無插損相關的較高成本的使用。

本文緊要討論半導體行業中已經得到使用的電阻測試技術，它能為各種使用供應精確且高性價比的直流電流測量結果。本文還解析了高邊和低邊測試原理，并通過實際例子幫助設計師選擇適合自己使用的最佳辦法。

電阻測試

在電流路徑中以串聯的方式插入一個低阻值的測試電阻會形成一個小的電壓降，該壓降可被放大從而被當作一個正比于電流的信號。然而，依據詳盡使用環境和測試電阻的位置，這種技術將對測試放大器造成不同的挑戰。

比如將測試電阻放在負載和電路地之間，那么該電阻上形成的壓降可以用簡單的運放進行放大(見圖1B)。這種辦法被稱為低邊電流測試，與之相對應的辦法為高邊測試，即測試電阻放在電源和負載之間(見圖1A)。

圖1：上面簡化的框圖描述了一種基本的高邊測試電路(圖1A)和一種基本的低邊測試電路(圖1B)。

測試電阻值應盡可能低，以保持功耗可控，但也要足夠大，以便萌生能被測試放大器測試到并在目標精度內的電壓。值得留意的是，在測試電阻上得到的這種差分測試信號寄生在一個共模電壓上，這個共模電壓對低邊測試辦法來說接近地電平(0V)，但對高邊測試辦法來說就接近電源電壓。這樣，測量放大器的輸入共模電壓范圍對低邊方案來說應蘊含地，對高邊方案來說應蘊含電源電壓。

由于低邊測試時的共模電壓接近地電平，因此電流測試電壓可以用一個低成本、低電壓的運放進行放大。低邊電流測試簡單且成本低，但許多使用不能容忍由于測試電阻引入的地線干擾。較高的負載電流會使問題更加嚴重，因為系統中地電平被低邊電流測試偏移的某個模塊可能要與地電位沒變的其他模塊進行通信。

為了更好地理解這個問題，可以看一下圖2中采用低邊電流測試技術的智能電池充電器，其中AC/DC轉換器的輸出連接到了2線智能電池。

圖2：采用低邊電流測試技術的智能電池。

這種電池通常采用單線來傳遞指示電池狀態的電池細節信息，還有一根線用于溫度測量，出于安全的原由，這根線與負極和正極端子是隔離的。為了測試電池溫度，電池通常內置一個熱敏電阻，由該電阻供應正比于電池負極電壓的輸出信號。

當采用低邊測試方案時，可按照如圖2底部所示的方式插入測試電阻。由電池電流萌生的測試電壓經放大后饋入控制器，再由控制器做出一些必要的解決來調整功率流。由于測試電壓隨電池電流而變，這樣就會改變電池負極的電壓，而溫度輸出是以負極端子作為基準信號因此就導致溫度輸出不精確。

低邊測試的另外一個緊要缺點，體今朝電池和地之間意外短路所導致的短路電流不能被測試到。在圖2所示電路中，正極電源和地之間短路會萌生足夠毀壞MOS開關(S1)的大電流。然而，盡管有這樣的問題，低邊測試方案的簡單和低成本使得它對那些短路保護不是必要的使用來說有很大的吸引力，因為在這種使用中地線干擾是可以容忍的。

為甚么要用高邊測試？

高邊電流測試(圖1b)指的是將測試電阻放在電源電壓和負載之間的高位。這種放置方式不僅消除了低邊測試方案中萌生的地線干擾，還能測試到電池到系統地的意外短路。

然而，高邊測試要求測試放大器解決接近電源電壓的共模電壓。這種共模電壓值范圍很寬，從監視解決器內核電壓要求的電平(約1V)到在工業、汽車和電信使用常見的數百伏電壓不等。使用案例包括典型筆記本電腦的電池電壓(17到20V)，汽車使用中的12V、24V或48V電池，48V電信使用，高壓電機控制使用，用于雪崩二極管和PIN二極管的電流測試以及高壓LED背光燈等。因此，高邊電流測試的一個緊要優點，那就是測試放大器具備解決較大共模電壓的能力。

傳統高邊電流測試放大器

關于工作在5V的典型低壓使用來說，高邊測試放大器可采用簡單的儀表放大器(IA)。然而，不同的IA架構有著不同的限制，如有限的輸入共模電壓范圍。另外，IA也比較昂貴，而且在較高共模電壓時，低壓IA根本無法工作。因此設計高壓高邊電流測試所需的放大器是一個艱辛的挑戰。

處理這個問題的一個直截了當的辦法，就是使用簡單的電阻分壓器來降低高邊共模電壓，讓這個共模電壓落在測試運放的輸入共模范圍內。然而，這種辦法不僅體積大，成本高，而且像下文說明的那樣還可能無法供應精確的結果。

讓我們考慮這樣一個例子：在測試電阻上萌生100mV測試電壓，該電壓寄生在10V的共模電壓上。對應100mV滿幅測試電壓的理想輸出是2.5V，最差精度指標是1%。

采用圖3所示的簡單電阻分壓器可將10V共模電壓減小10倍。

圖3：實現傳統高邊電流測試的電路。

配置為差分放大器的運放A1能很輕松地解決1V共模電壓。但Vsense(100mV)同樣也被縮小了10倍，因此在差分放大器A1的輸入端測試電壓惟有10mV。為了供應要求的2.5V滿刻度電平，還非得引入第二個放大器A2，并設置為250倍的增益。

值得留意的是，A1的輸入偏移電壓無衰減地出今朝其輸出端，同時出今朝A2輸入端，然后被放大250倍。由于這些偏移電壓是不相關的，它們在A2輸入端可能整合為一個平方根和(RSS)，并形成等效偏移電壓。假設兩個運放都有1mV的輸入偏移電壓，那么等效偏移電壓為：

其中VOS_A1和VOS_A2分別是A1和A2的輸入偏移電壓。

因此由上述公式可以得出A2輸出端僅由輸入偏移電壓所引起的誤差電壓為：

250(1.4mV)=350mV

這樣，運放偏移電壓造成了14%的系統誤差。

電阻比失配對CMRR的影響

第二個緊要的誤差源，是來自與放大器A1的電阻臂相關的公差。A1的CMRR很大程度上取決于電阻增益設置臂R2/R1和R4/R3之比值。兩個臂中電阻比值即使差1%，也會萌生90V/V的輸出共模增益。

使用1%公差的電阻時，電阻臂比值最大變化為2%，相當于最壞情況下3.6mV/V的共模電壓誤差。這樣，10V的輸入共模電壓變化將在A1輸出端萌生高達36mV的誤差(電阻臂變化1%時的誤差為0.9mV)。36mV的誤差顯然是不能接受的，因為它將導致增益為250的A2出現飽和！即使電阻臂比值變化1%也會萌生放大的誤差電壓0.9mVx250=225mV。

總誤差

總誤差等于A1輸入偏移電壓、A2輸入偏移電壓、以及由電阻精度引起的誤差電壓的RSS總和。如上所述，電阻%1的精度變化加上10V的共模電壓變化本身就會萌生最大36mV的誤差，并使A2飽和。假設電阻臂R2/R1和R4/R3之間的比值只變化1%，輸出誤差也將高達0.9mV。因此總的RSS輸入誤差電壓為：

其中VOS_A1和VOS_A2分別是A1和A2的輸入偏移電壓，VOS_MISMATCH是由于電阻臂比值1%的變化引起的輸入誤差電壓：

即使我們忽略溫度變化，由于放大器A1和A2的偏移電壓以及電阻臂比值1%的失配引起的總誤差也可能高達1.67mVx250=417.5mV，是滿刻度輸出的16.7%。換句話說，417.5mV誤差電壓看上去像是417.5mV/25=16.7mV的輸入偏移誤差，這顯然是不可接受的。

總誤差可以通過使用更高精度的電阻(0.1%)、或具有更好偏移電壓規格的放大器來縮小。但這些措施將進一步新增本來就已經蘊含了眾多元件的系統的成本。

另外，即使沒有負載，電阻分壓器R4/R3和R2/R1也供應了電源電流到地的流通路徑。這種到地的低共模阻抗在電池供電設備中很關鍵，因為電阻路徑中的漏電會迅速泄漏電池能量。

專用高邊電流測試放大器

綜上所述，理想的器件不僅要能測試較高共模電壓上的電壓，而且要具有非常好的CMRR和低輸入偏移電壓。圖4中基本的高邊電流測試放大器(CSA)已經能以IC的形式買到，并采用小型封裝以最小化電路板尺寸。加工這種IC時使用的高壓制造工藝準許它們即使是在低至2.8V電源電壓下工作也能解決高達80V以上的共模電壓。

圖4：蘊含這些基本元件的集成高邊電流測試放大器。(負載、電流鏡像、緩沖器)

電流流經圖4中的測試電阻會萌生一個很小的差分電壓，該電壓必定通過增益電阻RG1。而(正比于測試電壓的)這個電流被鏡像和解決后供應以地為參考的輸出電流，從而完成從高邊的理想電平偏移。這個電流輸出可以通過流經一個電阻或電壓緩沖器而轉換為電壓。

美信公司的這個高邊CSA具有以下一些特性：該芯片有非常高的共模輸入阻抗，最小的輸入偏移電壓，低于1%的精度指標和典型100dB的CMRR。這些特性為傳統高邊CSA中常見的問題供應了高性價比的處理方案。其小型封裝(2.2mmx2.4mmSC70，3mmx3mmSOT，1mmx1.5mmUSCP等)使電路板尺寸得以保持最小。

這些高邊放大器可以適合眾多使用中的低成本電流測試使用，每一種放大器都針對特定使用作了優化。例如，MAX4372、MAX9928/29和MAX9938適合電池供電的設備，而MAX9937和MAX4080非常適合工業系統，MAX4069和MAX9923則是要超低偏移電流使用的最好選擇。由于不使用低邊電流測試方案，所有這些IC有效地避免了地彈電壓和短路測試功能缺失的問題。

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