深入解析MAX9918/MAX9919/MAX9920電流感測放大器

在電子設(shè)計領(lǐng)域，電流感測是一項至關(guān)重要的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于各種電路中，以實現(xiàn)對電流的精確監(jiān)測和控制。今天，我們將深入探討Maxim Integrated推出的MAX9918/MAX9919/MAX9920系列單電源、高精度單/雙向電流感測放大器，了解它們的特性、應(yīng)用以及設(shè)計要點。

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一、產(chǎn)品概述

MAX9918/MAX9919/MAX9920是一系列單電源、高精度的電流感測放大器，具有-20V至+75V的高輸入共模電壓范圍。這使得它們非常適合用于監(jiān)測電感負(fù)載（如電機(jī)和螺線管）的電流，因為在這些應(yīng)用中，由于電感反沖、反接電池或瞬態(tài)事件，共模電壓可能會變?yōu)樨?fù)值。

1. 增益特性

• MAX9918/MAX9920：增益可通過外部電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
• MAX9919：具有固定增益，其中MAX9919F的增益為45V/V，MAX9919N的增益為90V/V。

2. 工作模式

• 單向放大器：當(dāng)(V_{REFIN }=GND)時，器件作為單向放大器工作。
• 雙向放大器：當(dāng)(V{REFIN }=V{CC} / 2)時，器件作為雙向放大器工作。

3. 輸入信號衰減

MAX9920在輸入電平轉(zhuǎn)換階段將輸入信號衰減4倍，允許器件在單向操作時感測高達(dá)200mV的電壓，在雙向操作時感測±100mV的電壓。

4. 電源和溫度范圍

這些放大器采用單5V電源供電，在-40°C至+125°C的汽車溫度范圍內(nèi)完全指定，并采用8引腳SOIC封裝。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

MAX9918/MAX9919/MAX9920系列放大器具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，包括但不限于以下幾個方面：

• H橋電機(jī)電流感測：用于精確監(jiān)測電機(jī)的電流，實現(xiàn)電機(jī)的高效控制。
• 螺線管電流感測：確保螺線管的正常工作和精確控制。
• 電感負(fù)載電流監(jiān)測：對各種電感負(fù)載的電流進(jìn)行實時監(jiān)測。
• 高低側(cè)精密電流感測：在不同的電路配置中實現(xiàn)高精度的電流測量。
• 超級電容器充放電監(jiān)測：監(jiān)測超級電容器的充放電過程，保證其安全和高效運行。
• 精密高壓電流監(jiān)測：適用于需要高精度電流監(jiān)測的高壓應(yīng)用。
• 汽車應(yīng)用：滿足汽車電子系統(tǒng)對電流監(jiān)測的嚴(yán)格要求。

三、特性與優(yōu)勢

1. 減少高電感反沖電壓的保護(hù)鉗位

• 寬輸入共模電壓范圍：-20V至+75V的輸入共模電壓范圍，支持廣泛的精密交流和直流電流感測應(yīng)用。
• 單/雙向電流感測：可根據(jù)實際需求選擇單向或雙向電流感測模式。
• 高精度：最大增益精度誤差為0.6%，最大輸入失調(diào)電壓為400μV。
• 高帶寬：MAX9919N的-3dB帶寬為120kHz。
• 雙向輸出參考輸入：方便實現(xiàn)雙向電流感測。
• 軌到軌輸出：提供更大的輸出電壓范圍。

2. 節(jié)省電路板空間

• 8引腳SOIC封裝：體積小巧，節(jié)省電路板空間。
• 單電源操作：4.5V至5.5V的單電源供電，簡化電路設(shè)計。

3. 汽車級認(rèn)證

部分型號（MAX9918ASA/V+、MAX9919FASA/V+、MAX9919NASA/V+、MAX9920ASA/V+）通過了AEC-Q100認(rèn)證，適用于汽車電子應(yīng)用。

四、電氣特性

1. 輸入失調(diào)電壓

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(T{A}=+25^{circ} C)，(V{RS+}=V{RS-}=+14V)，(V{REFIN }=0V)的條件下，MAX9918的輸入失調(diào)電壓典型值為±0.14mV，最大值為±0.4mV。

2. 輸入失調(diào)電壓漂移

輸入失調(diào)電壓漂移反映了輸入失調(diào)電壓隨溫度的變化情況。不同型號的器件在不同的共模電壓條件下，輸入失調(diào)電壓漂移也有所不同。

3. 共模抑制比（CMRR）

MAX9918和MAX9919在-2V ≤ VCM ≤ +14V的范圍內(nèi)，CMRR為80dB；在-20V ≤ VCM ≤ +75V的范圍內(nèi)，CMRR為96dB。MAX9920在相應(yīng)范圍內(nèi)的CMRR分別為72dB和86dB。

4. 增益和增益誤差

MAX9918和MAX9920的增益可通過外部電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)節(jié)，最小可調(diào)增益分別為7.5V/V和30V/V。MAX9919F的固定增益為45V/V，MAX9919N的固定增益為90V/V。增益誤差在不同的溫度和共模電壓條件下有所不同。

5. 輸出電壓

輸出電壓高（(V{CC} - V{OH})）和輸出電壓低（(V_{OL})）在不同的負(fù)載電阻和感測電壓條件下有不同的取值。

6. 其他特性

還包括輸入偏置電流、輸入失調(diào)電流、輸入泄漏電流、輸入電阻、全量程感測電壓、電源抑制比（PSRR）、電源電流、關(guān)斷電源電流、小信號-3dB帶寬、壓擺率、1%建立時間等特性。

五、典型工作特性

文檔中提供了大量的典型工作特性曲線，包括失調(diào)電壓與共模電壓、電源電壓的關(guān)系，增益誤差與共模電壓、電源電壓的關(guān)系，線性度與感測電壓的關(guān)系等。這些曲線可以幫助工程師更好地了解器件在不同條件下的性能，從而進(jìn)行合理的設(shè)計。

六、引腳配置與功能

1. 引腳配置

MAX9918/MAX9919/MAX9920采用8引腳SO-EP封裝，各引腳的功能如下：

• RS+：正電流感測輸入，電源側(cè)連接到外部感測電阻。
• RS-：負(fù)電流感測輸入，負(fù)載側(cè)連接到外部感測電阻。
• SHDN：高電平有效關(guān)斷輸入，連接到GND以進(jìn)行正常操作。
• GND：接地。
• OUT：電流感測輸出，(V{OUT})與(V{SENSE})成正比。
• FB：反饋輸入，用于設(shè)置MAX9918和MAX9920的增益。對于MAX9919，該引腳應(yīng)保持未連接。
• REFIN：參考輸入，設(shè)置為(V_{CC}/2)以進(jìn)行雙向操作，設(shè)置為GND以進(jìn)行單向操作。
• VCC：5V電源電壓輸入，需要通過0.1μF電容旁路到GND。
• EP：暴露焊盤，連接到大面積連續(xù)接地平面以提高功率耗散。

2. 詳細(xì)工作原理

器件的輸入級采用一對電平轉(zhuǎn)換器，允許在測量電流感測電阻上的電壓降（(V{SENSE})）時具有較寬的共模工作范圍。第一個電平轉(zhuǎn)換器適應(yīng)+2V至+75V的上共模工作范圍，當(dāng)共模電壓低于+2V時，第二個電平轉(zhuǎn)換器用于適應(yīng)低至-20V的負(fù)電壓。電平轉(zhuǎn)換器將(V{SENSE})轉(zhuǎn)換為內(nèi)部參考電壓，然后通過儀表放大器進(jìn)行放大。儀表放大器配置提供了高精度，輸入失調(diào)電壓最大為400μV。MAX9918和MAX9920可以通過外部電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)間接反饋來調(diào)節(jié)增益。

七、單/雙向操作

1. 單向操作

當(dāng)(V{REFIN }=V{GND})時，器件工作在單向模式。輸出參考地，輸出電壓(V{OUT})與從RS+到RS-的正電壓降（(V{SENSE})）成正比。

2. 雙向操作

通過向REFIN施加0V至(V{CC} - 1.9V)（MAX9918/MAX9919）或0V至(V{CC} - 2.4V)（MAX9920）范圍內(nèi)的低源阻抗參考電壓（通常為(V{CC}/2)），器件可以工作在雙向模式。輸出電壓(V{OUT})相對于(V{REFIN})與從RS+到RS-的±(V{SENSE})電壓降成正比。

八、關(guān)斷模式

將SHDN引腳驅(qū)動為高電平可進(jìn)入低功耗關(guān)斷模式。在關(guān)斷模式下，MAX9918/MAX9919/MAX9920的靜態(tài)電流典型值為0.5μA。

九、可調(diào)增益（MAX9918/MAX9920）

MAX9918和MAX9920的增益可以通過使用電阻R1和R2的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)電路進(jìn)行外部調(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。增益計算公式如下：

• MAX9918：(G=left(1+frac{R 2}{R 1}right))
• MAX9920：(G=left(frac{left(1+frac{R 2}{R 1}right)}{4}right))

十、應(yīng)用信息

1. 組件選擇

• 增益選擇：根據(jù)應(yīng)用所需的最大輸出電壓選擇合適的增益。公式為(V{OUT }=V{SENSE } × G)，其中(V_{SENSE})為全量程感測電壓（MAX9918/MAX9919為50mV，MAX9920為200mV），G為器件的增益。
• 感測電阻選擇：選擇感測電阻時，需要考慮精度、效率和功率耗散、電感等因素。為了獲得最佳性能，應(yīng)選擇能夠為滿量程電流提供約50mV（MAX9918/MAX9919）或200mV（MAX9920）感測電壓的感測電阻。

2. 電源旁路和接地

使用0.1μF電容將MAX9918/MAX9919/MAX9920的(V_{CC})旁路到地。接地時不需要特殊的預(yù)防措施，但在高電流系統(tǒng)中，為了避免地平面上的電壓降影響輸出電壓，可以采用OUT和REFIN之間的差分測量。為了獲得最高的電流測量精度，建議使用單點星形接地，并將暴露焊盤連接到固體接地以確保最佳的熱性能。

十一、總結(jié)

MAX9918/MAX9919/MAX9920系列電流感測放大器具有寬輸入共模電壓范圍、高精度、單/雙向操作等優(yōu)點，適用于各種電流感測應(yīng)用。在設(shè)計過程中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求選擇合適的器件和組件，并注意電源旁路和接地等問題，以確保系統(tǒng)的性能和可靠性。你在實際應(yīng)用中是否遇到過類似電流感測放大器的使用問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。