MAX9918/MAX9919/MAX9920：高精度電流檢測(cè)放大器的設(shè)計(jì)利器

在電子工程師的日常工作中，電流檢測(cè)是一項(xiàng)至關(guān)重要的任務(wù)。尤其是在處理電機(jī)、電磁閥等感性負(fù)載時(shí)，需要一款能夠適應(yīng)高共模輸入電壓范圍、具備高精度和靈活配置的電流檢測(cè)放大器。Maxim Integrated推出的MAX9918/MAX9919/MAX9920系列產(chǎn)品就是這樣的理想選擇。今天，我們就來(lái)深入探討一下這幾款放大器的特點(diǎn)、應(yīng)用以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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產(chǎn)品概述

MAX9918/MAX9919/MAX9920是單電源、高精度的單向/雙向電流檢測(cè)放大器，其輸入共模電壓范圍從 -20V 到 +75V。這種寬范圍的設(shè)計(jì)使得它們非常適合監(jiān)測(cè)電機(jī)和電磁閥等感性負(fù)載的電流，因?yàn)樵诟行苑礇_、反接電池或瞬態(tài)事件等情況下，共模電壓可能會(huì)變?yōu)樨?fù)值。

這三款放大器的電源電壓為單一的5V，完全適用于 -40°C 至 +125°C 的汽車溫度范圍，并采用8引腳SOIC封裝。它們還具有多種特性，如可調(diào)節(jié)增益、低輸入失調(diào)電壓和高帶寬等，能夠滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

關(guān)鍵特性與優(yōu)勢(shì)

寬輸入共模電壓范圍

-20V 到 +75V 的輸入共模電壓范圍，支持廣泛的精密交流和直流電流檢測(cè)應(yīng)用，減少了對(duì)高感性反沖電壓的保護(hù)鉗位需求。這意味著在復(fù)雜的電氣環(huán)境中，放大器能夠穩(wěn)定工作，無(wú)需額外的保護(hù)電路，從而簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)并降低了成本。

單向/雙向電流檢測(cè)

通過(guò)設(shè)置參考輸入電壓 (V{REFIN})，可以輕松實(shí)現(xiàn)單向或雙向電流檢測(cè)。當(dāng) (V{REFIN }=GND) 時(shí)，放大器作為單向放大器工作；當(dāng) (V{REFIN }=V{CC} / 2) 時(shí)，則作為雙向放大器工作。這種靈活性使得放大器能夠適應(yīng)不同的電流檢測(cè)需求，無(wú)論是只需要檢測(cè)正向電流還是需要同時(shí)檢測(cè)正向和反向電流。

高精度性能

增益精度誤差最大為0.6%，輸入失調(diào)電壓最大為400μV，確保了精確的電流測(cè)量。此外，MAX9919N的 -3dB 帶寬為120kHz，能夠快速響應(yīng)電流變化，提供實(shí)時(shí)的電流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

節(jié)省電路板空間

采用8引腳SOIC封裝，占用的電路板空間小，適合對(duì)空間要求較高的應(yīng)用。同時(shí)，單電源操作（4.5V 到 5.5V）簡(jiǎn)化了電源設(shè)計(jì)，減少了外部元件的數(shù)量。

AEC-Q100 認(rèn)證

部分型號(hào)（MAX9918ASA/V+、MAX9919FASA/V+、MAX9919NASA/V+、MAX9920ASA/V+）通過(guò)了AEC-Q100認(rèn)證，適用于汽車電子應(yīng)用，確保了在惡劣環(huán)境下的可靠性和穩(wěn)定性。

引腳配置與功能說(shuō)明

引腳配置

功能說(shuō)明

• RS+ 和 RS-：用于檢測(cè)電流流經(jīng)檢測(cè)電阻時(shí)產(chǎn)生的電壓降 (V_{SENSE})。
• SHDN：通過(guò)將該引腳拉高，可以使放大器進(jìn)入低功耗關(guān)斷模式，此時(shí)靜態(tài)電流僅為 0.5μA（典型值）。
• OUT：輸出電壓 (V{OUT}) 與檢測(cè)到的電壓 (V{SENSE}) 成正比，可連接到ADC進(jìn)行進(jìn)一步處理。
• FB：對(duì)于MAX9918和MAX9920，可以通過(guò)連接一個(gè)電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)到該引腳來(lái)設(shè)置增益。
• REFIN：該引腳的電壓決定了放大器的工作模式，設(shè)置為 (V_{CC}/2) 實(shí)現(xiàn)雙向操作，設(shè)置為GND實(shí)現(xiàn)單向操作。
• Vcc：為放大器提供電源，需要通過(guò)一個(gè)0.1uF的電容旁路到GND以減少電源噪聲。

電氣特性分析

輸入失調(diào)電壓和漂移

輸入失調(diào)電壓是衡量放大器精度的重要指標(biāo)之一。在不同的溫度和共模電壓條件下，MAX9918/MAX9919/MAX9920的輸入失調(diào)電壓有所不同。例如，在 (TA = +25°C) 時(shí)，MAX9918在 (V{RS+}=V{RS-}= +14V) 且 (V{REFIN}= 0V) 的條件下，輸入失調(diào)電壓典型值為 ±0.14mV，最大值為 ±0.4mV。輸入失調(diào)電壓漂移則反映了失調(diào)電壓隨溫度的變化情況，如MAX9918在 (V{RS+}=V{RS}= +14V) 時(shí)，輸入失調(diào)電壓漂移最大為 ±1.2μV/°C。

共模抑制比和電源抑制比

共模抑制比（CMRR）表示放大器抑制共模信號(hào)的能力，MAX9919和MAX9920在 -20V ≤ (V{CM}) ≤ +75V 的共模電壓范圍內(nèi)，CMRR 可達(dá)96dB。電源抑制比（PSRR）則衡量了放大器對(duì)電源電壓波動(dòng)的抑制能力，MAX9920在 4.5V ≤ (V{CC}) ≤ 5.5V 的電源電壓范圍內(nèi)，PSRR 可達(dá)68dB（最小值）。

增益和增益誤差

MAX9918和MAX9920的增益可以通過(guò)外部電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)節(jié)，而MAX9919則具有固定增益，分別為45V/V（MAX9919F）和90V/V（MAX9919N）。在不同的溫度和共模電壓條件下，增益誤差有所不同，但通常控制在較小的范圍內(nèi)。例如，MAX9918在 (V{RS+}=V{RS-}= +14V) 且 (V_{REFIN}= 0V) 的條件下，在 (T_A = +25°C) 時(shí)，增益誤差典型值為 ±0.08%，最大值為 ±0.6%。

帶寬和壓擺率

不同型號(hào)的放大器具有不同的帶寬和壓擺率。例如，MAX9918的小信號(hào) -3dB 帶寬為75kHz，壓擺率為0.6V/μs；MAX9919N的小信號(hào) -3dB 帶寬為120kHz，壓擺率為3.0V/μs。這些參數(shù)決定了放大器對(duì)快速變化信號(hào)的響應(yīng)能力。

應(yīng)用案例與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

應(yīng)用案例

• H橋電機(jī)電流檢測(cè)：在電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，通過(guò)檢測(cè)電機(jī)電流可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的精確控制，如速度調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)矩控制等。
• 電磁閥電流檢測(cè)：監(jiān)測(cè)電磁閥的電流可以確保其正常工作，避免因電流異常導(dǎo)致的故障。
• 感性負(fù)載電流監(jiān)測(cè)：對(duì)于變壓器、電感等感性負(fù)載，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電流可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題，提高系統(tǒng)的可靠性。
• 超級(jí)電容器充放電監(jiān)測(cè)：在超級(jí)電容器的充放電過(guò)程中，精確檢測(cè)電流可以優(yōu)化充電策略，延長(zhǎng)電容器的使用壽命。

設(shè)計(jì)要點(diǎn)

元件選擇

• 檢測(cè)電阻：理想情況下，最大負(fù)載電流應(yīng)在檢測(cè)電阻上產(chǎn)生滿量程的檢測(cè)電壓。對(duì)于MAX9918/MAX9919，滿量程檢測(cè)電壓為50mV；對(duì)于MAX9920，滿量程檢測(cè)電壓為200mV。選擇合適的增益以滿足應(yīng)用所需的最大輸出電壓，公式為 (V{OUT }=V{SENSE } × G)。在選擇檢測(cè)電阻時(shí)，需要考慮精度、效率和功率耗散等因素。
• 增益設(shè)置：對(duì)于MAX9918和MAX9920，增益可以通過(guò)外部電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)節(jié)。增益頻率補(bǔ)償設(shè)置為MAX9918的最小增益為30V/V，MAX9920的最小增益為7.5V/V。增益計(jì)算公式為： [G=left(1+frac{R 2}{R 1}right)( for MAX9918)] [G=left(frac{left(1+frac{R 2}{R 1}right)}{4}right) (for MAX9920)]

電源旁路和接地

• 為了減少電源噪聲的影響，需要在 (V_{CC}) 和GND之間連接一個(gè)0.1uF的電容進(jìn)行旁路。
• 在接地設(shè)計(jì)方面，雖然這些放大器的接地不需要特殊的預(yù)防措施，但遵循系統(tǒng)的一般接地原則是很重要的。對(duì)于高電流系統(tǒng)，建議使用單點(diǎn)星形接地，以減少接地平面上的電壓降對(duì)輸出的影響。此外，將外露焊盤連接到實(shí)心接地可以確保最佳的熱性能。

總結(jié)

MAX9918/MAX9919/MAX9920系列電流檢測(cè)放大器以其寬輸入共模電壓范圍、高精度、靈活的配置和節(jié)省空間的封裝等特點(diǎn)，為電子工程師提供了一個(gè)強(qiáng)大的工具。無(wú)論是在汽車電子、工業(yè)控制還是其他領(lǐng)域，這些放大器都能夠滿足各種電流檢測(cè)的需求。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，合理選擇元件和優(yōu)化電路布局是確保放大器性能的關(guān)鍵。希望本文對(duì)電子工程師們?cè)谑褂肕AX9918/MAX9919/MAX9920時(shí)有所幫助。你在實(shí)際應(yīng)用中使用過(guò)這些放大器嗎？遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。