基本的高電壓端電流感測放大器

採用電阻方式的電流感測技術具備有簡單易用、低成本、高線性度而且不需調校等優點，電阻兩端電壓與流經它的電流大小成正比，這就是熟知的歐姆定律（V＝IR）。不過要特別注意的是，所有的電阻都會在電流經過時消耗功率，同時這個消耗動作也會產生可能影響電阻值的熱能，因此感測電阻上所產生的熱能必須要謹慎地加以處理。

較大的感測電阻值可以帶來較高的精確度，但卻會消耗更多的功率（P＝I2R），其中I為測量所得的電流，R則為感測電阻值，所測得的電流大小會依應用而有所不同，並不是設計上的參數，因此感測電阻值必須盡可能地維持在較低的水準，以便將焦耳發熱（joule heating）降到最低。

選擇較小的感測電阻值會造成電阻兩端較低的感測電壓，因此就需要一個放大器來將這個電壓放大到適合與比較器、類比數位轉換器或其他外部電路介接的位準，較低的感測電壓容易受到由偏壓電流所造成測量誤差、以及放大器輸入偏移電壓的影響，例如在實際應用上，感測電壓的範圍大約為50mV到200mV，如果放大器的最大輸入偏移電壓為5mV，那麼在全幅電壓為50mV時，測量誤差就高達10％，在電流較低的情況下，數字基本上會更糟。

電流感測放大器必須要有低輸入偏移電壓以及低輸入偏壓電流，(圖一)中一款專用的高電壓端電流感測放大器在電壓源，如電池與負載間加入一顆感測電阻，透過避免接地面上的額外電阻值，這樣的安排大幅簡化了印刷電路板的佈局設計，同時也可以改善整體電路的效能。流經感測電阻RSENSE的電流會產生壓降，這個壓降透過運算放大器加以感測並推動MOSFET電晶體透過R吸入電流，電阻R上的壓降就等於感測電阻兩端的電壓：

KISENSERSENSE＝IOR

IO＝KISENSE(RSENSE/R)

因此，

VO＝KISENSE(RSENSE/R)RO

感測輸出電流與負載電流成正比，通常電路中會加入一個電流鏡來將輸出電流放大K倍，如果需要電壓式輸出，那麼可以在電流輸出與接地間安排一個輸出電阻RO來將電流轉換為電壓，電阻R與RO可以在出廠前透過調整達到誤差低於1％的電流感測精確度。

電流監測與保護

高可靠度的電源電流通常會加入短路或過載保護，請見(圖二)(a)，圖中的晶片電流感測器MAX4373整合了參考電路、比較器與閂鎖器，其中R1與R2用來控制動作電流，比較器將電流感測器輸出電壓與參考電壓比較，當負載電流達到最大可允許範圍時，比較器輸出就會透過將輸出閂鎖在邏輯高電位來關閉P通道MOSFET，這時就不會有電流流經負載，P通道MOSFET會保持在斷開狀態直到電源的重置開關被按下。

電池充電器以及其他應用則必須監測因短路所造成的過電流或者是開路所造成的電流過低問題，為了達成這個功能，圖二(b)中的電流窗偵測器與圖二(a)中的電路類似，但加入了第二個比較器來監測電流過低的情形，兩個比較器的輸出都為開汲極，因此可以以OR連線的方式加以連接或保持獨立輸出，當所監測的電流離開電流窗所設定的範圍時，晶片就會透過觸發一個錯誤情況對系統發生警示。

《圖一　這個高電壓端電流感測器利用歐姆定律進行電流測量》

熱抽換控制器

熱抽換控制器是一種特別且較為複雜的電流感測器，主要目的是應用在伺服器系統輸出入電路卡等系統電路卡應用上，它讓我們能夠在系統運行當中插入或移除電路卡而不會影響系統上的其他電路造成中斷，如果沒有熱抽換控制器，那麼插入或移除電路卡時可能會造成系統電源的短路並中斷系統的運作，同時電路板上的電容也會在卡片插入時快速充電，所造成的衝入電流可能會暫時將系統電源電壓拉低到超過所能容忍的範圍。

如(圖三)中的熱抽換控制器主要是設計來解決這些問題，它整合了和緩啟動（soft-start）功能以便將衝入電流降到安全的水準，當錯誤發生，例如過載或短路時，控制器會將電路卡與系統的其他部分加以隔離。

舉例來說，MAX5933A系列熱抽換控制器可以在運作中的背板上，安全地插入或移除電路卡而不會造成背板電壓線路的問題，在啟動時，控制器扮演了電流調節的角色，透過外部感測電阻與MOSFET來限制負載所能夠提取的電流量，內部電路會逐漸緩慢提高所監測的電流大小，因此可以避免過大的衝入電流。

感測電阻同時也可以用來限制電流大小，如果FB輸入接腳感測到短路情況，那麼晶片就會將電流限制降低3.9倍，例如當使用25mΩ的感測電阻時，會將正常的運作電流限制設在1.88A，但在短路情況發生時則會將限制降低到480mA。熱抽換控制器通常會包含一個當電流限制值沒有在指定時間內降低，就將MOSFET關閉以保護電源匯流排的計時器，其他的熱抽換功能還包括有電壓過低、過電壓以及溫度過熱等保護。

《圖二　(a)當晶片偵測到過載情況時，它的短路保護電路會關閉P通道MOSFET將負載隔開》

殘餘電量測量與電池管理

圖一中的電流感測放大器是一個相當簡單且通用的元件，但另一方面，例如殘餘電量測量與電池管理等特殊應用則需要在晶片中整合更多的功能，請參考(圖四)。對電池應用來說，殘餘電量的測量相當重要，原因是需要透過精確監測電池殘餘電量以便將系統效能最佳化並延長電池的使用時間。

例如筆記型電腦中所使用的電池組通常會整合智慧型殘餘電量測量功能來進行充放電的監測與控管，這類殘餘電量測量元件通常擁有能夠追蹤累積電荷與放電動作的數位電荷計數器（Coulomb counter），因此當電池接收到以庫倫（Coulomb）為單位的特定數量電荷後就成為完全充電狀態，相同地，當特定電荷量由電池離開時就是完全放電狀態。請記住一安培的電流就等於每秒一庫倫的電量，因此，電流的時間積分值就等於整體的電荷量，電流感測放大器會測量電池電流，而電荷計數器則可以做為計算充電或放電週期中整體電荷量的時間積分器。

殘餘電量測量應用的電流感測器需要具備有雙向電流測量的能力，當對電池組進行充電時，最高電荷量由使用者設定，當電荷計數器到達設定值時便會警告微控器來停止充電，原因是電池已經完全充電，相同地，在電池正常使用的放電情況下，電量測量功能就可以做為通知使用者電池殘餘電量的電量計，當電荷計數器到達所設定的最低限制時，會通知微控器電池已經放空以避免過度放電情況的發生，因此電荷計數器可以透過避免過度充電與放電來延長電池的使用壽命。

電流感測器通常也能夠透過持續監測所流經的電流量來提供過載或短路保護，透過在短路時關閉MOSFET，電流感測放大器可以將電池離線以避免受到短路錯誤的破壞。

《圖三　這個熱抽換控制器MAX5933A能夠保護電源匯流排，避免衝入電流突波與短路情況的破壞》

《圖四　殘餘電量測量元件會透過監測流入與流出電池組的電荷量，來追蹤充電與放電電流》

動態電源控制器

對使用在手機應用中的功率放大器來說，精確的功率放大器電源電流控制可以延長電池使用與通話時間，當手機接近基地台時，由於不需要高傳輸功率，因此可以降低功率放大器的電流，但還是能夠維持良好的信號傳輸，當手機遠離基地台或出現太多干擾時，發射電路就需要較高的輸出功率以及較大的電源電流，因此，透過對功率放大器電源電流進行動態調整可以將耗電降到最低，同時還能延長通話時間。

雖然與圖一中的電流感測器類似，(圖五)中功率放大器的電流控制器整合了誤差放大器並採閉迴路方式運作，它的動作原理與電流源類似。誤差放大器A3會將感測電阻RSENSE與RG1上的IR壓降加以比較積分，並將輸出提供給功率放大器的增益控制輸入GC，A3會提高增益以及功率放大器的輸出功率，因而加大電源電流直到兩個IR壓降相同為止。由A2、Q1與RG3所組成的電壓電流轉換器控制了RG1兩端的壓降，使用者可以透過PC輸入由外部來控制功率放大器的電源電流。

《圖五　這個電流控制器MAX4473可以動態調整電源電流以便將耗電降到最低，同時還能維持良好的信號完備性》

先進的電流感測功能

對筆記型電腦中的所使用的電池來說，電池兩端的電壓會隨著放電而改變，因此最好使用功率監測取代電流監測來提高安全性。傳送給負載的功率定義為負載電壓乘上負載電流，因此功率監測積體電路必須包含具備電壓輸出的電流感測電路以及一個類比乘法器，高電壓端的電流感測器提供了正比於負載電流的輸出電壓，這個電壓乘上負載電壓的比率分數就可以得到正比於負載功率的輸出電壓。

舉例來說，功率監測晶片MAX4210就是針對筆記型電腦中的電池監測應用所設計，它的4V到28V共模電壓範圍可以符合各種不同的電池電壓，要測量電流，可以在電源，也就是電池與負載間的路徑加入感測電阻，接著由電流感測放大器將正比於負載電流的電壓送到類比乘法器的一個輸入，另一個乘法器輸入則透過分壓電路連接到負載，負載電壓必須經過分壓電路加以降低，原因是乘法器的最高輸入電壓只有1.1V，將這兩個電壓相乘會得到正比於負載功率的輸出電壓，和電流感測器一樣，類比乘法器可以在出廠前經過調整來取得良好的精確度。

如(圖六)中能夠在偵測到發生功率過大情況時阻斷流到負載電流的固態功率感測斷路器，可以用來保護電池避免受到短路與功率過大的破壞，當偵測到錯誤情況發生時，P通道MOSFET M1會關閉並保持斷開狀態直到使用者按下手動重置按鈕，或在CIN2-接腳加上邏輯高電位為止，也可以透過關閉輸入電源，讓LE接腳成為低電位並將比較器輸出OUT閂鎖解除來重置斷路器，連接到R3-R4-C1比較器的RC網路可以避免電源啟動過程中的電壓變化造成錯誤反應。

《圖六　這個固態功率感測斷路器會在功率過高時阻斷流到負載的電流，按下手動重置按鈕或在CIN2-接腳加上邏輯高電位信號可以重置電流斷路器，如果在電源啟動過程發生電壓變化，那麼INHIBIT輸入可以透過暫時遮蔽比較器COUT1來避免錯誤的功率過大警示。》

結語

因此，我們發現以歐姆定律為基礎的電流感測器是各類應用，包括電源保護、電池殘餘電量測量以及動態電源控制等簡單但有效的電路設計，目前的晶片產品大多整合了實現低成本、高效能、全矽晶片化電流感測系統所需的大部分元件，透過在出廠前經過調整達到誤差低於1％的精確度，這類晶片產品將能夠有效改善系統的效能表現、可靠度與安全性。

---作者為Maxim美商美信公司資深技術專家---