深入解析 ZXCT1107/1109/1110 低功耗高端電流監(jiān)測器

在電子設計領域，準確監(jiān)測電流是一項至關重要的任務。Diodes Incorporated 的 ZETEX ZXCT1107/1109/1110 系列低功耗高端電流監(jiān)測器，憑借其獨特的特性和廣泛的應用場景，成為了工程師們的理想選擇。本文將深入剖析這一系列電流監(jiān)測器，為電子工程師們提供全面的技術參考。

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產品概述

ZXCT1107/1109/1110 是高端單極性電流感應監(jiān)測器，其最大的優(yōu)勢在于在感應負載電流時無需破壞接地平面。該系列產品具有寬共模輸入電壓范圍和低靜態(tài)電流，采用 SOT23 封裝，適用于多種應用場景，如適配器、汽車以及工業(yè) 24V 軌供電的系統(tǒng)。而且，該設備由線路供電，無需單獨的電源軌，靜態(tài)電流僅為 3μA，可將電流感應誤差降至最低。此外，通過一個外部增益設置電阻，還能實現廣泛的增益范圍，增加了產品的通用性。

產品特性

寬電壓范圍

該系列產品的電源和共模電壓范圍為 2.5V 至 36V，能夠適應不同的電源環(huán)境。其中，ZXCT1107 和 ZXCT1109 采用 3 引腳 SOT23 封裝，ZXCT1110 采用 5 引腳 SOT25 封裝。

低靜態(tài)電流

靜態(tài)電流僅為 3μA，有效降低了功耗，減少了電流感應誤差。

寬溫度范圍

工作溫度范圍為 -40°C 至 125°C，能夠適應各種惡劣的工業(yè)環(huán)境。

汽車級認證

部分型號具有 AEC - Q100 Grade1 汽車級認證，可用于汽車電子領域。

引腳分配與描述

引腳分配

引腳描述

• OUT：輸出引腳，為電流輸出。
• S+：電流監(jiān)測器的正輸入，具有寬共模輸入范圍，同時作為模擬電源為內部電路供電，該引腳的電流隨差分感應電壓變化。
• S-：電流監(jiān)測器的負輸入，具有寬共模輸入范圍。
• GND：接地引腳和襯底連接（僅 ZXCT1110 有）。
• NC：無連接（僅 ZXCT1110 有）。

需要注意的是，對于 ZXCT1107 和 ZXCT1109，引腳 1（OUT）既作為輸出引腳又作為襯底連接，因此其最小軌電壓為 2.5V + VOUT。

電氣特性

絕對最大額定值

該系列產品的絕對最大額定值包括電壓、電流、溫度等參數。例如，S - 和 S + 相對于 OUT（ZXCT1107/9）的電壓范圍為 -0.3V 至 40V，S - 和 S + 相對于 GND（ZXCT1110）的電壓范圍為 -0.3V 至 40V 等。在設計時，必須確保設備的工作條件不超過這些額定值，否則可能導致設備故障或降低可靠性。

推薦工作條件

推薦工作條件包括共模輸入范圍、差分感應輸入電壓范圍、輸出電壓范圍和環(huán)境溫度范圍等。例如，ZXCT1110 的共模輸入范圍為 2.5V 至 36V，差分感應輸入電壓范圍為 0V 至 0.5V 等。

電氣參數

在不同的工作條件下，該系列產品的電氣參數會有所變化。例如，在 (T{A}=25^{circ} C)，(V{S{+}}=20 ~V)，(V{SENSE }^{}=100 mV)，(R{GAIN }=0) 的條件下，ZXCT1107 和 ZXCT1109 的 S - 輸入電流在 (V{SENSE } = 0V) 時，典型值為 19nA；ZXCT1110 的 GND 引腳電流在 (V_{SENSE } = 0V) 時，典型值為 3μA。

典型特性

輸入電流與溫度、電壓的關系

通過典型特性曲線可以看出，輸入電流與環(huán)境溫度和 (V{S+}) 電壓有關。例如，隨著環(huán)境溫度的升高，輸入電流會發(fā)生變化；在不同的 (V{S+}) 電壓下，輸入電流也會有所不同。

輸出電流與溫度、電壓、感應電壓的關系

輸出電流與環(huán)境溫度、輸出電壓和感應電壓密切相關。例如，在不同的感應電壓下，輸出電流會隨著溫度的變化而變化；在相同的感應電壓下，輸出電流也會隨著輸出電壓的變化而變化。

典型交流特性

脈沖響應

通過測試電路可以得到小信號脈沖響應和大信號脈沖響應曲線。這些曲線可以幫助工程師了解設備在不同信號輸入下的響應特性，從而優(yōu)化電路設計。

共模抑制比（CMRR）

共模抑制比是衡量設備抑制共模信號能力的重要指標。通過測試電路可以得到 CMRR 曲線，該曲線顯示了設備在不同頻率下的共模抑制能力。

小信號帶寬

小信號帶寬是指設備在小信號輸入下的頻率響應范圍。通過測試電路可以得到小信號帶寬曲線，該曲線顯示了設備在不同頻率下的增益特性。

應用信息

應用電路拓撲

ZXCT1107、ZXCT1109 和 ZXCT1110 都采用類似的高端電流感應應用電路拓撲，但存在一些小差異。ZXCT1110 有單獨的接地引腳，而 ZXCT1107 和 ZXCT1109 沒有。使用 ZXCT1110 可以在某些應用中通過降低輸出失調電流來減少絕對電流測量誤差。ZXCT1107 提供了與 ZXCT1109 鏡像的引腳分配，便于在非常小的設備設計中進行 PCB 布局。

電阻值計算

在選擇 (R{SENSE}) 時，需要選擇合適的感應電壓，這通常需要在功率效率和給定溫度范圍內的精度之間進行權衡。(R{SENSE}) 必須足夠小，以避免電源和負載之間出現過大的電壓降；同時，又必須足夠大，以避免過大的電流測量誤差，特別是隨機誤差。 根據公式 (R{SENSE }=frac{V{SENSET }}{I{LOADT }}) 可以計算出 (R{SENSE}) 的值，其中 (V{SENSET }) 為選定的感應電壓閾值，(I{LOADT }) 為選定的閾值負載電流。 (R{GAIN}) 用于將設備輸出電流轉換為電壓，以便由其他設備（如比較器、放大器或微控制器系統(tǒng)中的模數轉換器）進行處理。根據公式 (R{GAIN }=frac{V{OUTT }}{I{OUT }}) 可以計算出 (R{GAIN}) 的值，其中 (V{OUTT }) 為所需的閾值輸出電壓，(I_{OUT }) 為閾值輸出電流。

設計示例

以一個需要在 12V 電源的負載電流為 2A 時提供 2V ±6% 輸出電壓的電流監(jiān)測器為例。由于電阻的公差為 1%，(R{SENSE}) 和 (R{GAIN}) 總共可能貢獻 2% 的誤差，因此 ZXCT11xx 的誤差不能超過 4%。從表中可知，當感應電壓為 100mV 時，ZXCT1107/1109 的誤差為 3.4%，滿足總誤差要求。 根據公式計算可得 (R{SENSE}=100 mV / 2 A=50 m Omega)，(R{GAIN }=frac{2}{0.004 0.1}=5 k Omega)，選擇合適的優(yōu)選值為 5.1kΩ。 若使用 ZXCT1110，根據公式 (V{SENSE }=frac{0.082}{varepsilon-1.8})（(varepsilon = 4%)）可得 (V{SENSE }=37.2 mV)，則 (R_{SENSE}=37.2 mV / 2 A=18.6 m Omega)，選擇合適的優(yōu)選值為 20mΩ，此時感應電壓為 (2 ~A 20 ~m Omega=40 mV)，(R_{GAIN }=frac{2}{0.004 * 0.04}=12500 Omega)，選擇合適的優(yōu)選值為 13kΩ。

保護與濾波

在負載短路或過載的情況下，感應端子之間可能會出現較大比例的電源電壓。為了保護電流監(jiān)測器，可使用電阻 (R{PROT}) 限制電流，避免引入顯著的電流測量誤差。 此外，在許多應用中，電路需要在存在 RF 輻射的環(huán)境下工作。為了減少 RF 輻射對電路的影響，可使用低通濾波器（(R{PROT}) 和 C1）在 VHF 和 UHF 區(qū)域提供顯著的衰減。C1 的值建議在 10pF 至 47pF 之間，采用無引線陶瓷類型。

PCB 布局考慮

在 PCB 布局時，需要考慮 PCB 銅箔和焊錫連接處到 (R_{SENSE}) 的小電壓降。這種電壓降在電流達到 1A 及以上時可能會產生明顯的誤差。因此，PCB 設計應確保通過感應電阻的銅箔承載電流最大，并且 S + 和 S - 引腳的走線應僅連接到電阻焊盤，以最小化銅箔的影響。如果使用電容 C1，應將其放置在靠近輸入引腳 S + 和 S - 的位置。

高壓電流監(jiān)測應用

該系列產品可用于高壓應用，如 TV LED 背光系統(tǒng)。在這種應用中，通過 PNP 晶體管 Q1 降低大部分電源電壓，二極管 D2 限制過載條件下的差分輸入電壓，齊納二極管 D1 限制 U1 兩端的電壓，D2 限制 U1 的輸出電流。

訂購信息

該系列產品提供不同的封裝和包裝形式，如 ZXCT1107SA - 7 采用 SOT23 封裝，7” 卷軸，每卷 3000 個；ZXCT1109SA - 7 采用 SOT23 封裝，7” 卷軸，每卷 3000 個；ZXCT1110W5 - 7 采用 SOT25 封裝，7” 卷軸，每卷 3000 個。

總結

ZXCT1107/1109/1110 系列低功耗高端電流監(jiān)測器具有寬電壓范圍、低靜態(tài)電流、寬溫度范圍等優(yōu)點，適用于多種應用場景。在設計應用電路時，需要根據具體需求選擇合適的型號和電阻值，并注意保護、濾波和 PCB 布局等方面的問題。希望本文能為電子工程師們在使用該系列產品時提供有益的參考。你在使用這些電流監(jiān)測器時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經驗和見解。