在电子电路设计中，高端电流检测是一个关键且具有挑战性的任务。今天，我们将深入探讨 TI 提出的一个 40V - 400V 非隔离型的高端电流检测方案，该方案巧妙地利用稳压二极管改变运算放大器的共模输入电压范围，为高端电流检测提供了一种新颖且有效的解决思路。
此方案主要使用了一个 OPA333 运算放大器、一个高压 PMOS 和一个 INA226。其工作原理基于运算放大器的 “虚短” 和 “虚断” 特性。由于存在负反馈，运算放大器的 “虚短” 使得同相输入端电压 Vp 等于反相输入端电压 Vn，且 “虚断” 保证几乎没有电流流进同相和反相输入端，所以 Vp = V2 成立，进而 Vn = Vp = V2。这意味着 R1 两端的电压等于 V1 - V2（即图中的 Vsense），也就是电流采样电阻 Rsense 上的电压。
由于 MOS 属于压控型器件，在 MOS 的栅极电容 Cgs 充满电后，几乎不会有电流从栅极流入到电阻 R2 上。因此，加在 R2 上的电压就等于 R2 * (Vsense / R1)。当 R2 和 R1 取值相等时，VR2 = Vsense。
稳压二极管钳位是该方案的一大亮点。OPA333 的共模输入范围是 (V -) - 0.1V 到 (V + ) + 0.1V。例如，在 5V 单电源供电条件下，OPA333 能处理的信号电压范围是 - 0.1V ~ 5.1V，无法处理本方案中检测电压 Vsense 上较大的共模电压。然而，在运算放大器供电的地方嵌入一个稳压二极管后，OPA333 的供电电压变为 400V 和 394.9V，其共模输入电压范围也相应改变为 394.8V ~ 400.1V，恰好满足高端电流检测的需求。之后，将这个电流转化到 R2 上，由 INA226 进行检测，设计十分巧妙。
- 稳压二极管 Rz 的取值：Rz 的取值与两个参数相关。一是稳压二极管的 Izt（在电流≥Izt 时，稳压管的稳压值才准确），二是运算放大器的静态电流 Iq。TI 采用了低功耗的稳压二极管 MMSZ4689T1，其 Izt 为 50uA，即在 50uA 的电流下可保持稳压 5.1V。运算放大器 OPA333 的静态电流 Iq 为 25uA。通过公式计算，Rz 的取值要小于 5.26MΩ，TI 选择了两个 1.2MΩ 的电阻串联，以减小单颗电阻的功率。
- PMOS 的选型：需要考虑两个方面。其一，PMOS 的耐压值必须超过 400V，TI 选用了力特的 IXTT16P60P，其耐压为 600V。其二，由于 MOS 工作在线性区，其功耗不可忽视。假设流过 MOS 的电流为 8mA，且 MOS 两端电压差很大，功耗会相当大。因此，要选择大封装的 PMOS，并在 PCB 上做好散热设计。
在 PCB 设计时，要特别注意高压区和低压区的布局，避免高低压布局在一起，以防止干扰和安全隐患。对于采样电阻部分，走线应尽量合理，以减少走线引入的误差，确保检测结果的准确性。
TI 的这个高端电流检测方案通过巧妙的电路设计和合理的器件选型，有效地解决了高端电流检测中运算放大器共模输入电压范围的问题。在实际应用中，我们可以根据具体需求对方案进行适当调整和优化，以实现更好的检测效果。同时，在进行 PCB 设计时，严格遵循相关的设计原则和注意事项，能够提高整个系统的稳定性和可靠性。
