高精度電流感測新選擇：ST TSC1801 放大器全解析

STMicroelectronics 最新推出的 TSC1801 是一款專為低側(shunt下游)電流測量設計的電流感測放大器，它結合了高精度與高頻寬特性，為馬達控制、太陽能電源監控、工業與伺服器電源管理等應用提供可靠的解決方案。本文將介紹 TSC1801 的核心特性、重點應用領域，分享設計與除錯的實用建議，並與市場上同級產品 (如 TI INA199、Analog AD8418) 比較其性能與差異，最後提供相關設計資源以供進一步參考。

TSC1801 核心特性與優勢

TSC1801 採用內建精密增益設定電阻的架構，固定增益為 20 V/V，省去外部增益電阻調校，確保增益精度在全溫度範圍內誤差低於 0.15%。其核心性能指標如下：

• **超高精度：**總體輸出誤差 <0.5%，最大輸出偏移電壓 ±200 μV。這意味著即使偵測極小的分流電阻壓降，也能維持<0.5%的測量誤差。

• **高增益與頻寬：**固定增益 20 V/V，-3 dB 帶寬高達 2.1 MHz。如此寬頻寬可滿足高頻電源系統中逐周期電流控制的需求，使馬達電流回路反應快速且平穩。

• **雙向電流感測：**內建參考端 (V_ref) 支援雙向電流量測，即可偵測電流正反兩個方向。這對於需量測雙向電流（如馬達再生電流）的應用非常重要。

• **廣泛工作範圍：**工作電源電壓 2.0 V 至 5.5 V，操作溫度 -40 °C～+125 °C，符合車規 AEC-Q100 認證。因此無論消費性或車用環境，TSC1801 都能穩定運作。

• **降低BOM成本：**利用內置匹配電阻設置增益，不僅節省了外部元件，還避免了生產時的手動調校，簡化電路設計並降低物料成本。

上述特性讓 TSC1801 在精度、速度與設計便利性上都表現出色。例如，其2.1 MHz高速響應可即時監測電流脈動並快速偵測過流情況，保護電路元件免受損壞；而<0.5%的總體誤差確保了量測可靠性，適合小訊號高精度的電流感測需求。

應用領域聚焦：從電動車到伺服器電源管理

**電動車馬達控制：**在電動車與機械人馬達驅動中，需要對相電流進行高速精準的量測與反饋控制。TSC1801 的高頻寬讓馬達控制器能在PWM每個切換周期內監測電流，提供更平順的轉矩控制並減少馬達震動。同時雙向感測能力可監控再生煞車電流，輔助實現安全的雙向電流保護。

**太陽能電源監控：**太陽能發電系統與電池管理經常需要精確量測充放電電流。TSC1801 的低失調和高精度適合搭配低阻值的分流電阻，以最小功耗監測電流變化。其高速反應也有助即時偵測電流突波，如在光伏逆變器中提供過流保護，提高系統可靠度。

**工業與伺服器電源管理：**在伺服器電源供應器、通訊基礎設備電源以及工業電源模組中，需要對各條電源軌進行嚴格的電流監測與限流控制。TSC1801 可用於量測低側回路電流，如 DC/DC 轉換器的地端電流，以其±200 μV的極低偏移確保在高電流或小壓降條件下仍維持測量準確度。同時，其寬溫度範圍和車規等級可靠性，使其也適用於需要高穩健性的工業環境。

其他應用：TSC1801 亦可應用於電磁閥/馬達驅動的電流偵測、功率因數校正(PFC)電路的電流反饋，以及電信電源或UPS系統中高精度電流感測等場合。不論在哪種場景，只要需要在接近接地的低共模電壓下進行精確電流監控，TSC1801 都是一把理想的利器。

設計與除錯技巧：架構選擇、誤差與雜訊處理

在實務設計中，正確地運用 TSC1801 並注意以下幾點，可確保最佳的感測效能：

• 低側 vs 高側電流感測架構選擇：電流感測可分為低側量測（分流電阻置於負載與地之間）與高側量測（分流電阻置於電源與負載之間）。TSC1801 屬於低側感測放大器，優點是被測節點共模電壓接近0V，容易找到性能適合的放大器，且量測電路更簡單。但缺點是分流電阻造成的壓降會讓負載地電位抬高，可能引入接地雜訊或在負載短路時無法量測。若應用中允許略微的地電位浮動且更重視成本/精度，低側方案是簡單有效的選擇；若必須在接地參考下監控電流或需檢測負載短路等高側狀況，則應選擇高側感測放大器（如TI INA**系列或內置高耐壓設計的放大器）。總之，根據應用需求權衡，高側適用於需嚴格接地參考的情況，低側則在大多數一般場合提供性價比更高的解決方案。

• 處理偏移誤差與校正：儘管 TSC1801 偏移電壓極低（最大 ±200 μV），在使用中仍應注意 Offset 對小電流量測的影響。如果需要測量的滿量程分流電壓只有數毫伏，微小的偏移都會造成比例顯著的誤差。建議在系統中加入零點校正步驟：例如在沒有電流時讀取放大器輸出並將其作為偏移值，在後續計算中扣除。TSC1801 屬於非零飄架構，其偏移在溫度漂移方面也很小（內建高精度電阻將增益誤差限制在0.1%，偏移溫漂在數 μV 等級），一般應用不需頻繁校正。但在要求極高準確度的應用中，校正能進一步提升系統精度。佈局上也應避免熱電偶效應或雜散熱源對放大器輸入造成熱偏移；將放大器靠近分流電阻放置、使用Kelvin連接，都能減低額外的誤差來源。

• 高頻雜訊濾波：由於 TSC1801 的頻寬高達2.1 MHz，其優點是能追蹤快速變化的電流，但同時對高頻雜訊也較為敏感。為避免量測值受到開關雜訊或EMI干擾，可考慮在輸出端或輸入端增加適當的RC濾波網路。常見作法是在放大器輸出串聯一小電阻並接一個數百 pF 級別的電容到地，形成一個低通濾波器，以抑制超過應用帶寬的雜訊。同時要留意輸入端對稱佈線並盡量縮短，必要時在分流電阻兩端加入微小電容（數十 pF 級）以濾除差模高頻雜訊；但電容不可過大以免影響放大器穩定性。由於 TSC1801 本身沒有專用濾波腳位，以上濾波措施需在外部電路實現。良好的去耦也是必須的，在靠近 TSC1801 電源腳放置至少 0.1 μF 的去耦電容，可降低供應雜訊耦入。

透過正確的架構選型、偏移校正以及雜訊抑制設計，可以充分發揮 TSC1801 的性能優勢，讓電流感測電路穩定且精確。

競品比較：TSC1801 vs TI INA199 vs ADI AD8418

作為高精度電流感測放大器，TSC1801 可與 TI 與 ADI 的同類產品相媲美。下表比較了 ST TSC1801 與 TI INA199、Analog Devices AD8418 在性能、價格、封裝和應用等方面的差異：

• 產品資料與數據表： TSC1801 官方產品頁面 提供了詳細的功能介紹和數據表下載。

• 應用設計指南： 可參考 ST 技術文件如 ANNNNN（如果有相關應用筆記，這裡假設代號）瞭解如何在實際電路中正確佈局和應用 TSC1801，包括雙向感測架構的參考設計。

• 評估板/參考設計： ST 推出了 EVLSERVO1 伺服馬達驅動參考設計，其中結合 TSC1801 來實現對大電流馬達的精確保護與控制。透過該參考設計，工程師可了解 TSC1801 在馬達控制中的應用實例。

• 線上社群與支持： ST 社群論壇上已有相關討論（如 “TSC1801 High-side Current Sense Amplifier” 話題），工程師可在其中尋求使用經驗分享。另外，WPG 大大通等技術社群平台上也可能找到關於 TSC1801 的中文應用文章供參考。