SGM8199L雙向電流分流監(jiān)測器：特性、應用與設計要點

引言

在電子電路設計中，準確監(jiān)測電流是至關重要的。SGM8199L系列作為一款電壓輸出的雙向電流分流監(jiān)測器，為工程師們提供了一種可靠的解決方案。本文將詳細介紹SGM8199L的特性、應用場景以及設計過程中的關鍵要點。

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一、SGM8199L概述

SGM8199L系列是專門設計用于在共模電壓范圍內(nèi)感測分流器上的電壓降，且不受電源電壓影響的雙向電流分流監(jiān)測器。它具有以下顯著特點：

1. 寬共模電壓范圍：能在 -0.1V 至 26V 的寬共模電壓范圍內(nèi)工作，這使得它在不同的電源環(huán)境下都能穩(wěn)定地進行電流監(jiān)測。
2. 低失調(diào)電壓：SGM8199L1 的最大失調(diào)電壓為 350μV（VCM = 12V 時），SGM8199L2 為 330μV（VCM = 12V 時），這允許在感測電流時，分流器上的滿量程最大壓降僅為 10mV。
3. 固定增益選擇：提供 50V/V 和 100V/V 兩種固定增益，方便工程師根據(jù)實際需求進行選擇。
4. 低靜態(tài)電流：僅消耗 85μA 的靜態(tài)電流，有助于降低系統(tǒng)功耗。
5. 寬溫度范圍：可在 -40℃ 至 +125℃ 的溫度范圍內(nèi)正常工作，適用于各種惡劣環(huán)境。
6. 多種封裝形式：提供 Green SC70 - 6 和 UTQFN - 1.8×1.4 - 10L 兩種封裝，滿足不同的應用需求。

二、應用場景

SGM8199L 具有廣泛的應用場景，包括但不限于以下幾個方面：

1. 便攜式設備：如筆記本電腦、手機等，可用于監(jiān)測電池充電和放電電流，實現(xiàn)精確的電源管理。
2. 電信設備：在電信設備中，可用于監(jiān)測電源模塊的電流，確保設備的穩(wěn)定運行。
3. 電源管理系統(tǒng)：對電源的輸入和輸出電流進行監(jiān)測，優(yōu)化電源效率。
4. 充電系統(tǒng)：在電池充電過程中，實時監(jiān)測充電電流，保障充電安全和效率。
5. 焊接設備：監(jiān)測焊接電流，確保焊接質(zhì)量和設備安全。

三、關鍵特性分析

1. 輸入特性

• 輸入失調(diào)電壓：SGM8199L1 和 SGM8199L2 在不同的共模電壓和溫度條件下，輸入失調(diào)電壓有所不同。在 VCM = -0.1V 至 2V 且 VSENSE = 0mV 時，SGM8199L1 的輸入失調(diào)電壓為 150 - 720μV，SGM8199L2 為 70 - 700μV；在 VCM = 2V 至 26V 且 VSENSE = 0mV 時，SGM8199L1 為 150 - 350μV，SGM8199L2 為 80 - 330μV。輸入失調(diào)電壓的漂移為 1μV/℃。
• 輸入偏置電流：在 VSENSE = 0mV 且溫度為 +25℃ 時，輸入偏置電流為 16μA，輸入失調(diào)電流為 35nA。
• 輸入共模電壓范圍：共模電壓范圍為 -0.1V 至 26V，這使得它能夠適應不同的電源環(huán)境。
• 共模抑制比（CMRR）：在不同的共模電壓和溫度條件下，CMRR 有所不同。例如，在 VCM = -0.1V 至 26V 且 VSENSE = 0mV 時，SGM8199L1 的 CMRR 為 85 - 104dB，SGM8199L2 為 90 - 110dB。

2. 輸出特性

• 增益：SGM8199L1 的增益為 50V/V，SGM8199L2 的增益為 100V/V。
• 增益誤差：在 VSENSE = -5mV 至 5mV 的范圍內(nèi)，SGM8199L1 和 SGM8199L2 的增益誤差最大均為 ±0.4%。
• 增益溫度系數(shù)：增益溫度系數(shù)為 10ppm/℃，確保在不同溫度下增益的穩(wěn)定性。
• 非線性誤差：在 VSENSE = -5mV 至 5mV 且溫度為 +25℃ 時，非線性誤差為 0.01%。
• 最大容性負載：在 +25℃ 時，最大容性負載為 1nF，以保證輸出的穩(wěn)定性。
• 輸出電壓擺幅：在 VCC = 26V 且 RL = 10kΩ 至 VCC/2 的條件下，輸出高電平 VOH 為 140 - 380mV，輸出低電平 VOL 為 85 - 300mV。

3. 動態(tài)性能

• -3dB 帶寬：在 VCC = 5V、RL = 10kΩ 且 CL = 10pF 的條件下，SGM8199L1 的 -3dB 帶寬為 74kHz，SGM8199L2 為 68kHz。
• 壓擺率（SR）：在不同的輸出電壓和負載條件下，壓擺率有所不同。例如，在 f = 1kHz、RL = 10kΩ 且 VOUT = 1VP - P 時，SGM8199L1 的壓擺率為 0.15V/μs，SGM8199L2 為 0.12V/μs。
• 噪聲：在 f = 1kHz 且溫度為 +25℃ 時，SGM8199L1 的電壓噪聲密度為 50nV/√Hz，SGM8199L2 為 35nV/√Hz。

4. 電源特性

• 工作電壓范圍：工作電壓范圍為 2.7V 至 26V，適應不同的電源供電。
• 靜態(tài)電流：在 VCC = 26V 且 VSENSE = 0mV 時，靜態(tài)電流典型值為 85μA，最大值為 120μA，在全溫度范圍內(nèi)最大值為 130μA。
• 電源抑制比（PSRR）：在 VCC = 2.7V 至 26V 且 VSENSE = 0mV 且溫度為 +25℃ 時，PSRR 為 105dB。

四、設計要點

1. 推薦連接方式

• 分流電阻應盡可能靠近電流分流監(jiān)測器的兩個輸入引腳，以減少與被測分流電阻串聯(lián)的額外電阻。
• 旁路電容對于提高電流分流監(jiān)測器的穩(wěn)定性是必要的。在大多數(shù)應用中，電源存在噪聲，會影響 SGM8199L 的工作，因此需要使用旁路電容。
• 在 UTQFN - 1.8×1.4 - 10L 封裝中，每個輸入提供兩個引腳，應將它們連接在一起（即 IN + 連接到 IN +，IN - 連接到 IN -）。

2. 電源設計

SGM8199L 能夠在共模電壓超過 VCC 引腳電源電壓的情況下準確測量電流。例如，VCC 電源可以為 5V，而負載或共模電源電壓允許達到 26V。但輸出電壓范圍受電源電平的限制。

3. 分流電阻的選擇

SGM8199L 的電流分流監(jiān)測器在典型的差分輸入范圍內(nèi)，能夠以 10mV 的量級準確工作。分流電阻 RSHUNT 的選擇取決于 SGM8199L 系列的應用。用戶需要在電壓損失和小輸入信號的準確性之間進行權(quán)衡。使用高值的 RSHUNT 可以最小化失調(diào)的影響，而使用低值的 RSHUNT 可以最小化電壓損失。對于大多數(shù)應用，RSHUNT 上的 60mV 電壓降是選擇 RSHUNT 的合適范圍，此時對應的失調(diào)電壓僅為 350μV。

4. 單向和雙向應用

• 單向應用：在單向操作中，SGM8199L 的電流測量方向是固定的。通常，將 REF 引腳直接連接到 GND 引腳，以確保輸出偏置在 0V。如果用戶希望高精度地測量低輸入電壓，將 REF 引腳偏置到 300mV 是將電流分流監(jiān)測器設置到其線性區(qū)域的好方法。在極少數(shù)情況下，REF 引腳可以直接連接到電源引腳以測量負電流，此時輸入電壓為 0mV 時，輸出電壓等于電源電壓。
• 雙向應用：雙向應用表示 SGM8199L 的電流分流監(jiān)測器可以測量兩個不同方向的電流。對于這種特殊情況，REF 引腳可以設置在 0V 到 VCC 之間的任何位置，以偏置輸出電壓。為了簡化，建議 VREF = VCC/2 是一個典型的電壓點。但是，如果正、負電流的絕對值不相等，則應將 REF 引腳的電壓設置為 VCC/2 以外的值。

5. 輸入濾波

不建議在 SGM8199L 的輸出端添加濾波器，因為這樣會增加內(nèi)部緩沖器輸出端的阻抗。在輸入引腳進行濾波是一個不錯的選擇，但需要考慮輸入阻抗的變化。為了最小化誤差并提高結(jié)果的準確性，外部電阻 RS 的電阻值應小于 10Ω。

6. 關閉 SGM8199L

SGM8199L 內(nèi)部沒有關機控制，因此關閉電源靜態(tài)電流的唯一方法是使用外部邏輯門或晶體管開關。

7. REF 輸入的輸入阻抗

REF 引腳的輸入阻抗會影響共模抑制比（CMRR），但如果 REF 引腳由電源驅(qū)動，則用戶無需擔心。如果 REF 引腳由電阻分壓器驅(qū)動，則應使用運算放大器進行緩沖，以提供低輸入阻抗。如果輸出可以進行差分測量，例如使用差分模數(shù)轉(zhuǎn)換器，則用戶無需關心 REF 引腳添加的外部阻抗及其影響。

8. 共模瞬態(tài)高于 26V 時的處理

SGM8199L 可以由上電瞬態(tài)高于 26V 的電源供電，特別是在汽車行業(yè)的應用中。在這種情況下，可以使用齊納二極管或齊納型瞬態(tài)吸收器（Transzorbs）來防止電流分流監(jiān)測器在電源上電瞬態(tài)期間過壓。不建議使用除 Transzorbs 以外的瞬態(tài)吸收器，因為存在明顯的時間延遲。任何齊納二極管都需要額外的工作電阻來提供工作電流，因此選擇 10Ω 的電阻（任何大的外部電阻都會影響增益）。在大多數(shù)應用中，10Ω 的電阻和最低功率額定值的齊納二極管足以處理短期瞬態(tài)。如果低功率齊納二極管無法保護電流分流監(jiān)測器免受電源瞬態(tài)的影響，則必須考慮使用高功率的 Transzorb。

五、總結(jié)

SGM8199L 作為一款高性能的雙向電流分流監(jiān)測器，具有寬共模電壓范圍、低失調(diào)電壓、低靜態(tài)電流等優(yōu)點，適用于多種應用場景。在設計過程中，工程師需要根據(jù)具體的應用需求，合理選擇分流電阻、設置 REF 引腳電壓、進行輸入濾波等，以確保 SGM8199L 能夠穩(wěn)定、準確地工作。同時，對于共模瞬態(tài)高于 26V 的情況，需要采取適當?shù)谋Ｗo措施。希望本文能為電子工程師在使用 SGM8199L 進行電路設計時提供有價值的參考。你在實際應用中是否遇到過類似的電流監(jiān)測問題？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗。