工程师设计分析：影响电流检测精确度的几种规范

在电流检测领域，牢固掌握电流检测的基础知识，了解电流检测所使用的一些器件，知道如何计算某种解决方案的精确度以及印制电路板(PCB)布局和问题检修的一些指导原则都非常有用。本文将为您详细介绍影响某种解决方案精确度的一些规范，这些规范包括输入补偿电压(Vos)、共模抑制比(CMRR)和电源抑制比(PSRR)。

精确度

分流器测量的系统精确度会受到许多误差源的影响，其中一些如表1所示。方程式1表明了极端系统精确度情况。

eq1

其中，Sworst-case(%)为每个误差源的误差贡献度。但是，一种更为实际的系统精确度计算方法是，将无关联误差写成一个和的平方根(RSS)，如方程式2所示。

eq2

表一：系统级误差源。

由于表1所列大部分误差均为输入参考(RTI)，因此我们最好是就输入方面来对精确度进行讨论。参考器件输入的误差乘以器件增益，得到其对输出的影响程度。

输入补偿电压

输入补偿电压一般为影响某种解决方案精确度的最大因素。它的定义是“一个必须施加于输入端之间以强制静态DC输出电压为零或者其他规定电平的DC电压”。放大器的理想Vos为0V。但是，工艺差异和器件设计限制等原因，会导致Vos不为零。

所有输入参考误差均根据理想分流器电压计算得到。理想分流器电压应为负载电流和理想电阻器值的乘积。系统中，标称负载电流为5A，理想关联电阻器值为1mΩ，则器件Vos规范的误差贡献程度计算方法如方程式3所示。假设我们决定使用INA170，其最大Vos规范为1mV。

eq3

要想减小这种误差，我们有两种方法：增加Rshunt电阻，或者降低Vos (max)。增加Rshunt 电阻方法是否可行，取决于成本、电路板空间或者功耗情况。另外，我们也可以尝试找到一种具有更低Vos的替代器件。

最后，需要注意的是，负载电流与误差成反比关系。在我们的例子中，标称负载电流为5A时，计算得20%。如果系统负载电流减少，则Vos规范产生的有效误差增加。因此，设计人员应在最小负载电流下计算极端误差。

共模抑制比

在介绍CMRR以前，我们需要重新复习一下输入共模电压知识。放大器的输入共模电压为两个输入端的共用平均电压。尽管这样说确实没有错，但最好还是将分流器电压同共模电压区分开来。通过定义Vid（差动输入电压），可以达到这个目标。在电流检测应用中，它还可以被看作是分流器电压。图1显示了输入共模电压的另一种定义，其使用了差动输入电压。图1还再次提出了差模增益(Adm)的概念。差动放大器的理想输出为差动输入电压和差模增益的乘积。

图1：共模电压另一种定义。(差模增益, 差动放大器,)

CMRR可影响电流检测解决方案的精确度。它是器件共模信号抑制能力的度量标准。这很重要，因为共模信号会以差动信号的形式出现在器件中，从而降低解决方案的精确度。

CMRR通常在产品说明书中以线性刻度(μV/V)或者对数刻度(dB)单位表明。如果单位是dB，则极端值为最小值。如果单位为μV/V，则极端值为最大值。

要想计算器件CMRR规范产生的误差，我们需要：产品说明书列出的极端CMRR规范、产品说明书规范表的共模电压测试条件（Vcm-pds）以及系统的共模电压（Vcm-sys）。

例如，假设系统共模电压为50V (Vcm-sys)，并且分流器电压标称为 5mV。我们使用INA170计算误差，其极端CMRR规范为100dB (min)，Vcm-pds=12V。

由于规范单位为dB，我们需要将其转换为线性刻度，如方程式4所示。

eq4

现在，我们来计算误差，如方程式5所示。

eq5

想要降低CMRR带来的误差贡献值，我们有两种方法：增加分流器电压，或者选择一个拥有更好CMRR性能的器件。改变Vcm-sys通常并非为一种可行的方法，因为具体应用决定了它的大小。

这样处理CMRR的目的是，让读者能够迅速和有效地理解其如何影响测量的精确度[1, 3, 4]。

电源抑制比

PSRR是电源电压变化引起Vos变化程度的一种测量方法。PSRR所产生误差的计算方法与CMRR类似。

要想计算器件PSRR规范所产生的误差，我们需要：产品说明书的极端PSRR规范、产品说明书规范表的电源电压测试条件(Vs-pds)以及在系统中为器件供电的电源电压(Vs-sys)。

例如，INA170的极端PSRR规范为10μV/V（最大），且Vs-pds=5V。如果器件实际电源电压为30V (Vs-sys)，则PSRR所产生的误差可以利用方程式6计算得到。就前面的几个例子而言，我们假设分流器电压为5mV。

eq6

要想降低PSRR带来的误差贡献值，我们有两种方法可以使用：增加分流器电压，或者选择一个PSRR性能更高的器件。改变Vcm-sys通常并非为一种可行的方法，因为具体应用决定了它的大小。

本例中，PSRR单位已经指定为μV/V。如果该值单位指定为dB，则在使用方程式6以前必须将其转换为线性刻度。

其他误差

一些规范，例如：增益误差和分流电阻器容差等，通常会以百分比的形式出现。这使得精确度计算更加简单。

表1还列出了Vos漂移和变化。输入补偿电压漂移可测量温度变化带来的Vos变化。这种规范一般为：

但是，输入补偿电压变化则并不那么简单。输入补偿电压变化测量的是时间变化带来的Vos 变化情况。我们通常可以在产品说明书中看到这种规范，并且其仅为估计值。准确估计这种变化的一种方法是，知道10年内器件Vos的变化，不会大于器件的最大Vos规范。这种变化是器件初始Vos规范之外的变化。

综合计算

如前所述，综合误差的各个方面，便可知道系统的总体精度。只需将每一项相加，便得到极端误差，而以RSS方式将它们结合起来就得到一个更加准确的结果。

就本文所列举的Vos、CMRR和PSRR例子而言，极端精确度为67.4%，如方程式7所示。

eq7

使用RSS方式综合各个误差，得到更准确的精确度为78.03%，如方程式8所示。

eq8

总结

本文介绍了电流检测精确度概念，它与Vos、CMRR和PSRR等规范有关。文中所举例子，说明了在某个具体应用中如何计算这些规范所产生的误差。另外，我们还简单介绍了如增益误差、分流器容差和Vos漂移与变化等其他误差。