在許多應用領域中，如馬達控制、螺線管(Solenoid)控制以及直流/直流(DC/DC)轉換器、電池監測等電源管理，對於精確高壓側電流感測的需要相當普遍。在這些應用領域中，對高壓側電流進行監測可以改善分析判斷的能力，像是短路至接地端的判定、回流二極體(Recirculation Diode)電流的持續監測，以及藉由導入分流電阻而使得接地路徑不會中斷的能力等。針對馬達控制以及螺線管控制所使用之典型高壓側控制迴路設定如圖1、2、3。
在以上所列出的所有設定當中，出現在分流電阻上用以監測負載電流的共模電壓，會隨著從接地端至電池的不同位置而改變。這個脈寬調變(PWM)共模輸入訊號會具有來自電源階段至場效電晶體(FET)之間的控制訊號為基礎的特定週期、頻率以及上升/下降時間。
因此，任何被用來作為監測通過分流電阻之電壓的解決方案，都會需要相當高的共模拒斥性能，以便使PWM共模效應、高電壓能力以及高偏移量和增益的正確度失效，才能夠讓實際的負載電流值忠實呈現。
在螺線管控制(圖1)中，電流總是朝單一方向流動，這是因為只使用了一組控制FET，因此單向的電流感測器就已經足以應付。在馬達控制的設定中(圖2、3)，將分流安排在馬達的相位上，這所代表的是電流可以從兩個方向通過分流電阻，因此須要使用雙向電流感測器。
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| 圖1 典型的螺線管控制迴路 |
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| 圖2 H-Bridge馬達控制迴路 |
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| 圖3 三相馬達控制迴路 |
研究這些類型的元件，可以從許多半導體供應商處取得多種不同的選擇。設計工程師也會注意到有兩種完全不同的架構可以用來執行高壓側電流感測功能，分別是整合式高電壓電流感測放大器以及整合式高電壓差動放大器。
因此，若能針對這兩種架構之間的關鍵性差異進行理解，將有助於需要高壓側電流感測功能的工程師進行選擇，找到適合應用裝置的元件。在本文中，將以高電壓雙向差動放大器AD8206以及高電壓雙向電流感測放大器AD 8210作為參考。
兩種元件雖都具有相同的對外接腳，也都能夠執行高壓側電流分流監測，但兩者的規格與架構仍頗為不同的。
以下就針對這些元件進行討論，為讀者介紹何者才是最適合的應用裝置，並為讀者分析須要考慮的因素。當然，首先為讀者簡單介紹這兩種元件的運作方式。
高電壓電流感測放大器 有助精確差動輸入電壓量測
從圖4可以看出，AD8206是一組整合式高電壓差動放大器。該放大器能透過輸入電阻將輸入電壓予以衰減，藉此承受高達65伏特的共模電壓，使其維持在放大器A1的範圍內。特定的輸入衰減為1/16.7。
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| 圖4 高電壓雙向差動放大器的簡化架構 |
這個輸入電阻網路也會以相同的數值將差動訊號予以衰減。AD8206具有20V/V之輸入與輸出增益的特點。在輸入衰減為1/16.7之下，放大器A1以及A2必須要將差動訊號予以增益大約334.4V/V，如此才能夠達到20V/V的最終增益。這個元件會藉由使輸出放大器對供電範圍中的任意點產生偏移，以執行雙向的輸入量測。
連結於A2正極輸入的則是經過精密微調的電阻，自外部將一個低阻抗電壓連結至這些電阻上，可以使得輸出放大器產生相對應的偏移。這個特殊元件具有一項關鍵性的特點，那就是圖4中所示的250毫伏特偏壓電路，可以將輸入差動電壓加以正確地放大，也就是在共模電壓低於接地端時，最高可達-2伏特。
至於AD8210，則是一款高電壓電流感測放大器，具有與AD8206相同的功能以及對外接腳，然而此元件的運作方式有相當的差異，而且其所導致的規格與差動放大器也不相同(圖5)。
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| 圖5 高電壓雙向電流感測放大器之功能圖表 |
在檢視這種類型的元件時，首先可以看到的區別就是不再仰賴電阻網路作為衰減高共模電壓的輸入架構。像是AD8210這類可以在製程上取得的輸入放大器，乃是由高電壓電晶體所組成，因此輸入端的共模電壓可以是65伏特，而展露於此電壓下之所有電晶體的個別VCE會超過65伏特，AD8210的電流感測放大器會以如下的方法將低差動輸入電壓予以放大：輸入的終端會藉由R1以及R2連結至差動放大器(A1)。A1利用電晶體Q1與Q2調整通過R1與R2的電流，藉此使得出現並通過其自身輸入終端的電壓失效。當送往AD8210的輸入訊號是0伏特時，在R1與R2中的電流就會相等。當差動訊號為非零狀態時，電流會透過其中一個電阻而增加，並且在另一個電阻中降低，且電流的差異會與輸入訊號的大小與極性成比例。
通過Q1與Q2的差動電流，會透過兩組內部經過精密微調的電阻，將其轉換成接地端參考差動電壓。接著此電壓可以由放大器A2再次放大，此時所採用的是低電壓電晶體，以便產生最終的輸出。
具有這種架構的電流感測放大器通常只會在輸入共模電壓下降至2或3伏特時運作。假如在應用裝置中的輸入共模電壓可以達到或是低於接地(GND)的話，那麼這項參數就很重要。AD8210採用增強電路(Pull Up Circuit)來將放大器A1的輸入維持在接近5伏特的電源供應狀態，即使當輸入共模低於5伏特，而所有的線路也都降至-2伏特時亦然。這將能夠使其在共模電壓低於該元件的5伏特供電下達到精確的差動輸入電壓量測。
電流感測/差動放大器差異大
接下來說明電流感測放大器以及差動放大器是如何以頗具差異的方式運作，但卻又能夠執行相同的功能。
差動放大器主要是將輸入電壓予以衰減，以便將此訊號改變至放大器能夠容忍的位準。電流感測放大器則是將差動輸入電壓轉換成電流，並且利用能夠承受肇因於程序所產生之高共模電壓的輸入放大器，使其回返成接地端參考電壓。兩種架構之間的差異將會導致性能上的變化，設計工程師在選擇高電壓電流監測解決方案時必須特別注意。
一般數據表中通常都會提供大多數必要的相關資訊，在選擇要使用何種類型的元件時，才能夠以精確、速度、功率等為基礎做出正確的判斷。然而在研讀數據表時，會有一些原本就存在於架構中的關鍵性差異是無法馬上顯現的，但是在挑選高壓側電流監測器時仍然具有相當的重要性。以下所列的關鍵要點乃是設計工程師在為其應用裝置選擇最佳解決方案時所必須注意的。
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多數差動放大器的頻寬會低於電流感測放大器之頻寬五倍之多。在這個特殊的性能區域內，輸入電阻衰減器是主要的促成因素。然而，差動放大器的較低頻寬仍然足以供大多數的應用裝置使用。許多的螺線管控制應用裝置通常會在低於20kHz之下運作，而馬達控制則基於雜訊的相關考量，須要在20 kHz或是更高的頻寬下運行。螺線管控制通常都須要注意平均電流。具有較低頻寬的差動放大器就比較適合這方面的用途。
另一方面，針對馬達控制，特別是在量測馬達相位時，瞬間電流是其關鍵，因此具有較高頻寬的電流感測器架構將可以在實際的馬達電流上獲得較佳的表現。 |
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在這兩種架構之輸入結構上的差異也會造成共模拒斥比(Common Mode Rejection Ratio, CMRR)性能的差異。差動放大器通常會以0.01%的精確度將輸入電阻予以微調。這是個絕佳的匹配，而且可以帶來80dB DC CMRR性能的保障。電流感測放大器所具有電晶體輸入結構。所以CMRR不再須要仰賴輸入電阻的匹配，而且這項參數通常會被設定為超過100dB以上。CMRR會以共模電壓為基礎，依據內部電路的狀況而改變。以AD8210為例，當輸入共模電壓低於5伏特時，該元件會如同差動放大器一樣提供相同的80dB。在這個電壓範圍內，輸入結構會變得具有抗力，這是因為內部增強電路所導致，因此CMRR再次成為了0.01%精密微調電阻匹配的功能。若是將CMRR性能也納入應用裝置錯誤預估中一併考量的話，那麼電流感測架構就會具有較佳的整體性能。 |
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對於正在尋找可以在高壓側電流感測解決方案中加入輸入濾波的設計工程師而言，其結果可能會與他們究竟是使用差動放大器或是電流感測放大器架構有著極大的關連。典型的輸入濾波器的用途是為了要使因為輸入雜訊以及電流峰值所造成的影響失效，而且大多會以如同圖6中所示的方式實現。
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| 圖6 輸入濾波器 |
不論其架構，由於每個零件都具有一些經過微調的輸入電阻，因此任何以串聯方式加入如上圖之架構中的外部電阻都會產生不匹配的情況，並且導致某些額外的增益與CMRR誤差，利用以下的方程式可以計算出來。
在上列的方程式中，Rin是該元件的內部輸入電阻值，而RF則是外部的濾波器電阻。差動放大器具有超過100kΩ的輸入電阻。以AD8206為例，其Rin=200kΩ，即便使用了200Ω的濾波器電阻，其所代表的額外增益誤差也只有 0.1%。
由這些假設精確度為1%的電阻外部元件，所造成的CMRR誤差為94dB，仍是不適用的結果。因為會被隱沒在200kΩ內部電阻的CMRR誤差當中。而電流感測放大器擁有較高的共模輸入阻抗，具有一般輸入串聯電阻低於5kΩ的特點，可用以將差動輸入電壓轉換成電流。以AD8210為例，上列的方程式必須要以差動輸入阻抗Rin=3.5kΩ來重新計算。目前由於濾波器電阻所造成的額外增益誤差最高可達5.4%。
此外，假設在外部電阻不匹配的最壞情況下，CMRR性能將會下降至59dB。對於典型的高精確度，具有低於2%的最大總誤差之元件而言，這是在性能上的一項主要減退。因此，設計工程師在以電流感測架構導入輸入濾波器時務必相當小心。當內部電阻等於或低於5kΩ時，使用低於10Ω的濾波器電阻，將可以確保電流感測放大器原本的高精確度得以維持。假如是使用差動放大器的話，因為高輸入電阻值比較不會受到外部不匹配的影響，故工程師會具有較大範圍的輸入濾波器電阻值。 |
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在高壓側電流感測應用裝置中，設計工程師必須擔心的是會導致電流感測器/差動放大器之運作超出其設定範圍以外的潛在性事件，如過驅動(Overdriving)就是一例。在系統中的斷線，代表的可能是放大器的負極輸入變成了接地狀態，而正極輸入則還是處於電池電壓狀態。通常這兩個輸入只會因為負載電流通過分流電阻而有數百毫伏特的差異，但是假如有數伏特電流通過輸入時，該元件是否還能夠在這種錯誤情況下繼續運作呢？在這種狀況下，差動放大器的架構原本就比較具有適應能力，一旦系統依序回復之後，就可以繼續依照預期的方式運作，輸入電阻網路可以只將電流源極接地。AD8206具有每個輸入端200kΩ的特點，亦即在65伏特之下，流向接地端的電流會是325微安培(μA)。假如已經採用了電流感測架構，那麼設計工程師就必須要留意這樣的潛在問題。
在前述的第一個範例中，當高電壓擺幅通過輸入端時，像AD8210這類型的元件是無法繼續運作的。大多數這類型的元件會在輸入端之間安置靜電放電裝置(ESD)保護二極體。因此，超過0.7伏特的電壓差異就會使這個二極體產生正向偏壓。這個二極體的實際中斷點是會改變的，但像是汽車用電瓶之類的高差動電壓通常會因為過度電性應力(Electrical Overstress)而導致元件的損壞。 |
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對於電流感測器而言，反向的電池保護在許多情況下都是有其必要的，特別是在汽車用的應用裝置上。具有電阻橋接輸入(Resistor Bridge Input)的差動放大器可以在高負電壓下繼續運作。然而，設計工程師務必要檢查差動放大器的絕對參數，以便確保其輸入ESD二極體也是被設計為只會在高負電壓狀況下啟動。在這類型情況下，電流感測架構並非是最佳化的，因為輸入放大器以及相對應的輸入電晶體會與這個高負電壓直接相連。由於輸入不應該受高負直流(DC)電壓之影響，因此電流感測放大器的輸入ESD二極體通常都會設計成只有在超出特定的低輸入電壓範圍之外時才會啟動。除了負DC電壓之外，這類型的電流監測器也會受到負輸入瞬變的影響。這種情況通常都是當系統中電流分流監測器的輸入共模隨著控制FET的開關切換，而從接地端擺盪至電池時發生。
須要重申的是，小心找出最大化絕對參數是必要的，如此一來，其性能才能再次密切地與元件之輸入ESD二極體相連結。基本上，差動放大器因為高輸入電阻而不會受到負瞬變的影響，因此通常ESD二極體會被設計成對高負電壓做強行限制。另一方面，在使用電流感測架構時，即使是極短期間的負瞬變，都可能使得被設計成接近該元件之輸入共模時就啟動的輸入ESD保護產生失誤的情況。通常這樣的脈衝不會攜帶有足以使ESD單元損壞的能量，如同AD8210的情況一樣，然而這項性能會隨著元件的不同而改變。這項參數應該要在實際的系統中做測試，以確保不會有複雜的情況發生。 |
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在這兩種架構之輸入結構上的差異，會使得輸入偏壓電流方面的考量變得特別重要，尤其是在電源管理應用裝置中。舉例來說，在電池電流感測系統中，兩種架構都能夠監測高壓側的電流。然而，當系統關閉，而且對於該元件的電源供應也關閉時，雖然輸入仍然是連結在電池上，但是像AD8206這類型的差動放大器元件就會持續的從電池中汲取輸入偏壓電流，因為輸入電阻網路要提供通往接地線的路徑。像是AD8210之類元件的電流感測架構就不會汲取電池電流。這些元件具有很高的輸入共模阻抗，如以AD8210而言，大於5MΩ，亦即幾乎沒有電流會經由元件之輸入端流向接地端。
在汽車、遠程通訊、消費者及工業應用領域中，高壓側感測功能相當普遍。工程師必須依據電流感測器在應用裝置中的精確度以及生還等級(Survival Rating)，謹慎找出何種類型才能最適用於其系統當中。兩種類型的電流監測器都能夠完成其任務，然而不同的架構會具有不一樣的優點與缺點。
對於即時的電流監測而言，具有高頻寬特點的電流感測放大器是最為適合的，而對於需要監測平均電流的應用裝置來說，使用差動放大器拓撲就能夠輕易的達成。對於電流消耗很敏感的電源管理應用裝置，當元件的電源關閉時，可以使用電流感測放大器將輸入偏壓電流的汲取最小化。此外，在施行外部濾波器以及確保每個元件的絕對輸入參數都不會受到干擾時，高壓側電流監測器的輸入結構可能會造成特定的限制。 |
(本文作者任職於亞德諾)