【原】電流檢測放大器的作用原理與選型參數(shù)分析——以ST的TSC2020為例

小飛學(xué)長 2025-09-01 發(fā)布于河南

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一、電流檢測放大器的價(jià)值及作用原理

電流檢測放大器核心價(jià)值：通過精確測量電流，幫助實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)控、故障保護(hù)以及能量的智能管理，這對于電池供電設(shè)備、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、工業(yè)自動(dòng)化及通信基礎(chǔ)設(shè)施等應(yīng)用至關(guān)重要。

作用原理：電流檢測放大器是一種精密模擬器件，其核心功能是通過檢測分流電阻（R（shunt））兩端的微小電壓降（V（sense）），將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為易于處理的電壓信號(hào)。其工作原理基于歐姆定律（I = V/R），具體可分為以下三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)：

差分電壓采集

當(dāng)負(fù)載電流（I（load））流經(jīng)分流電阻時(shí)，會(huì)產(chǎn)生與電流成正比的差分電壓（V（sense） = I（load） × R（shunt））。例如，若R（shunt）為1mΩ，檢測100A電流時(shí)V（sense）僅為0.1V，需放大器將其放大至ADC可識(shí)別的電平（如0-5V）。

2. 共模干擾抑制（CMRR）

量測電路分為高側(cè)檢測和低側(cè)檢測。

高側(cè)檢測：采樣電阻位于電源和負(fù)載之間。能檢測負(fù)載短路，但需處理高共模電壓。

低側(cè)檢測：采樣電阻位于負(fù)載和地之間。共模電壓接近地，電路簡單，但無法檢測負(fù)載對地短路。

在高側(cè)電流檢測場景中（如電池正極），分流電阻兩端的共模電壓可能高達(dá)數(shù)十伏（如48V車載系統(tǒng)）。電流檢測放大器需具備高共模抑制比（CMR），以消除共模噪聲對測量精度的影響。例如，TSC2020的CMR高達(dá)100dB，可有效抑制±100V共模電壓中的干擾。

3. 信號(hào)放大與調(diào)理

放大器通過固定增益（如TSC2020的20V/V）將V（sense）放大，并輸出單端電壓（V（OUT） = V（sense） × 增益）。部分器件還集成比較器（如TSC200系列），可直接實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)功能。

二、電流檢測放大器的關(guān)鍵選型參數(shù)

選擇電流檢測放大器時(shí)，需重點(diǎn)關(guān)注以下參數(shù)：

增益與動(dòng)態(tài)范圍

增益精度：直接影響測量線性度。TSC2020的增益誤差僅±0.3%，且溫漂低至3.5ppm/°C，適合高精度場景。

輸入電壓范圍：需覆蓋V（sense）的最大值。例如，若R（shunt）為5mΩ，檢測200A電流時(shí)V（sense）為1V，需放大器支持至少1V的差分輸入。

2. 共模電壓范圍（V（CM））

這指的是采樣電阻兩端所能承受的最高電壓。TSC2020支持 -4 V 至 +100 V 的寬共模電壓范圍，這意味著它既能用于低側(cè)檢測，也能輕松應(yīng)對高側(cè)檢測，甚至是汽車48V系統(tǒng)或工業(yè)電源總線等高壓場合。

3. 失調(diào)電壓與失調(diào)漂移

失調(diào)電壓是輸入差分電壓為零時(shí)，輸出不為零的電壓偏差。它直接影響小電流測量的精度。TSC2020的失調(diào)電壓僅為 ±150 μV（最大值）。

失調(diào)漂移是指失調(diào)電壓隨溫度變化溫漂（ΔV（OS）/ΔT）的情況。TSC2020的失調(diào)漂移最大為 0.5 μV/°C，保證了在寬溫范圍內(nèi)的穩(wěn)定性。

4. 帶寬與響應(yīng)速度

帶寬決定了放大器能準(zhǔn)確響應(yīng)的信號(hào)頻率。這對于監(jiān)控快速變化的電流（如電機(jī)繞組電流）很重要。需匹配系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)需求。例如，電機(jī)控制中PWM頻率為20kHz時(shí)，放大器帶寬需至少為100kHz。TSC2020的帶寬為700kHz，可支持高頻信號(hào)的精確捕捉。

5. 電源與功耗

供電電壓范圍：TSC2020支持2.7-5.5V寬壓供電，可直接與MCU電源兼容。

靜態(tài)電流：低功耗設(shè)計(jì)（如TSC2020的2.4mA）對電池供電設(shè)備至關(guān)重要，可延長系統(tǒng)續(xù)航。

三、TSC2020的技術(shù)特性與應(yīng)用場景

作為意法半導(dǎo)體的旗艦產(chǎn)品，TSC2020在性能與集成度上具有顯著優(yōu)勢：

1.核心技術(shù)指標(biāo)

參數(shù)	TSC2020典型值	應(yīng)用場景
共模電壓范圍	-4V至+100V	48V車載BMS、工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)（如人形機(jī)器人）
增益精度	±0.3%	精密電池電量監(jiān)測
帶寬	700kHz	高頻PWM電機(jī)控制
失調(diào)電壓溫漂	0.5μV/°C	寬溫域工業(yè)環(huán)境
封裝形式	TSSOP-8、SO-8	緊湊型PCB布局

2. 典型應(yīng)用方案

48V車載系統(tǒng)：檢測電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流時(shí)，TSC2020可直接連接分流電阻（如1mΩ），將0-100A電流轉(zhuǎn)換為0-2V電壓，經(jīng)ADC處理后反饋至ECU實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

工業(yè)電源監(jiān)控：在24V電源模塊中，通過檢測輸出電流（如0-50A），結(jié)合內(nèi)部比較器實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)，響應(yīng)時(shí)間小于1μs。

48V汽車系統(tǒng)及48V電動(dòng)工具: 是其理想應(yīng)用場景。

3. 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

分流電阻選型：根據(jù)待測電流最大值和放大器輸入范圍計(jì)算采樣電阻阻值和功率(P = I2R)，選擇低電感、低溫漂的電阻。

PCB布局：輸入引腳（IN+/-）應(yīng)靠近分流電阻，且布線寬度≥50mil以減少寄生電阻；輸出端需添加RC濾波（如10kΩ+100nF），抑制高頻噪聲。

四、總結(jié)與建議

選擇電流檢測放大器時(shí)，務(wù)必仔細(xì)考量共模電壓范圍、共模抑制比(CMRR)、增益誤差、失調(diào)電壓及其溫漂等核心參數(shù)。意法半導(dǎo)體的TSC2020憑借其寬共模電壓、高CMRR、高精度、增強(qiáng)型PWM抑制以及車規(guī)認(rèn)證，在工業(yè)控制、汽車電子、電源管理等領(lǐng)域是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

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作者簡介：

小飛，90后，公眾號(hào)《小飛學(xué)長》主理人。自創(chuàng)號(hào)以來，發(fā)表文章數(shù)千篇，累計(jì)全網(wǎng)閱讀量上億次。曾做過文字編輯、軟硬件研發(fā)工程師以及獨(dú)立撰稿人等工作，目前專注于芯片行業(yè)。業(yè)余時(shí)間酷愛閱讀與寫作，熱衷于分享對讀者有用的書籍、思考、感悟和經(jīng)驗(yàn)。順便說一句，文章里推薦書目均為筆者讀過、且認(rèn)為不錯(cuò)的正版書籍，喜歡的朋友可直接下單購買。