各位每天在新能源汽車、光伏逆變器或者高壓儲能系統(tǒng)里，被高壓高側(cè)電流檢測折磨得頭發(fā)日漸稀疏的硬件老鐵們，大家好！
在傳統(tǒng)的低壓電源設(shè)計中，高側(cè)電流檢測非常簡單，隨便挑一顆通用電流檢測放大器，比如經(jīng)典的INA138或者INA168，直接往上一掛就完事了。但如果有一天，突然來個新項目，要求在400V的高壓直流母線上實現(xiàn)精確的高側(cè)電流檢測，你會怎么做？
翻開芯片手冊，市面上那些能直接耐受400V共模電壓的特種高壓檢流放大器，不僅價格貴得讓人想流淚，而且供電通道復(fù)雜、選型極度受限。這時候，如果手里只有一顆最大工作電壓僅為36V的常規(guī)檢流放大器，你會怎么做？
今天，我們就基于TI的高壓浮動檢流參考設(shè)計帶你搞懂如何通過巧妙的外圍乾坤大挪移，讓36V的低壓器件安全、精準(zhǔn)地搞定400V高壓檢測！
400V高側(cè)檢測，低壓運放上去不就炸了？在動手設(shè)計前，咱們先得搞清楚為什么低壓運放不能直接上？
高側(cè)檢測意味著采樣電阻Rshunt串聯(lián)在高壓正極母線上。當(dāng)母線電壓為400V時，運放的輸入引腳Vin+和Vin-對地的電位就是400V，常規(guī)運放如INA138的芯片供電管腳V+對GND的最大耐壓只有36V。如果你把它的GND接到系統(tǒng)的0V大地，把V+接到高壓，芯片內(nèi)部的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)會瞬間被400V高壓擊穿，變成一縷青煙。
那怎么辦呢？可以想辦法讓運放漂浮起來！
鳥兒站在上萬伏的高壓電線上為什么不會被電死？因為鳥兒的兩只腳之間幾乎沒有壓差，它全身的電位和電線是一樣的。同理，只要我們不讓運放的GND腳接系統(tǒng)的0V大地，而是讓它接一個懸浮地，使整個運放隨母線電壓一起浮動，就能完美解決耐壓問題！
很多人看到這里還是有點疑惑，400V并沒有消失，它全部落到了串聯(lián)限流電阻上。例如母線400V，齊納12.16V，那么387.84V全部由限流電阻承擔(dān)。此時，芯片的V＋腳接400V，GND腳接387.84V。對芯片內(nèi)部來說，它看到的供電電壓永遠(yuǎn)是極其安全的12.16V！完美避開了36V的耐壓紅線。
流過R3的電流不僅要供給穩(wěn)壓管Z1穩(wěn)定的穩(wěn)壓工作電流，R3兩端承受了接近388V的巨大壓降！根據(jù)功率公式:
所以在實際選型中，R3絕不能用常規(guī)的0603/0805貼片電阻，必須選用高耐壓、大功率的電阻，否則電阻會直接過熱燒毀。
如果INA138整個都漂浮在400V附近，那輸出不是也應(yīng)該在400V嗎？
這正是很多硬件工程師最容易困惑的問題，注意觀察INA138，它不是電壓輸出器件，它輸出的是電流，電流沒有絕對參考點。它只需要找到一條回路，于是TI增加了一只耐壓很高的PNP晶體管。這只晶體管承擔(dān)了全部400V耐壓，INA138輸出的小電流，通過這只晶體管，最終流經(jīng)地參考電阻，于是輸出電壓重新變成0～5V，ADC便可以直接采集。
整個過程中，真正承受高壓的是PNP三極管。真正完成測量的INA138，兩者各司其職，那么根據(jù)增益指標(biāo)就可以計算出Rout的阻值：
很多人都會想到MOSFET輸入阻抗高，是不是誤差更小？理論上確實如此，因為三極管存在基極電流，會帶來一定比例的增益誤差。如果β=100，那么約有1%的輸出電流損失，MOSFET沒有這個問題。
但是實際工程中，很多高耐壓MOSFET門限電壓都比較高。有些甚至達(dá)到4～5V，INA138輸出擺幅有限，未必能夠把MOS可靠驅(qū)動。因此很多參考設(shè)計仍然采用高耐壓PNP三極管，雖然會引入約1%左右增益誤差，但整體更加穩(wěn)定，也更容易設(shè)計，當(dāng)然也有運放+MOS的實現(xiàn)方案，改天探討一下！
當(dāng)然實際上，這種浮地方案并不是萬能的，第一，它適合直流檢測，因為整個浮動電源建立需要一定時間，對于快速變化的大共模交流信號并不適合，第二，它存在持續(xù)靜態(tài)功耗，高壓一直存在，串聯(lián)電阻就一直耗電，對于待機功耗要求很高的系統(tǒng)，需要重新評估。第三，PCB設(shè)計要求遠(yuǎn)高于普通電流檢測。
400V雖然沒有直接進(jìn)入INA138，但PCB已經(jīng)是真正的高壓設(shè)計，爬電距離、空氣間隙、器件耐壓、分流電阻布局以及安全絕緣，都必須按照高壓規(guī)范設(shè)計，很多樣機的問題，最后都不是芯片，而是PCB。
TI的源文件我已經(jīng)壓縮打包好了，公眾號內(nèi)回復(fù)：400V電流采樣 即可獲得！
