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一文详解电子设备的电流测量

2020-9-18 17:40:20 显示全部楼层
                            本应用笔记介绍利用电流检测放大器、差分放大器和仪表放大器测量智能手机、平板电脑、笔记本计算机及 USB 附件中的电池充电和放电电流。通过对高边电流检测放大器与低边差分放大器进行了比较,并给出了检流电阻的选择标准。文中介绍了高电压短路器,以在发生电路故障及短路时提供系统过流保护。并且提供了可变线性电流源和可编程 0–5A 电流源的应用电路。
电流测量(即检测流入和流出电子电路的电流)是设计者的一项必备技能,也是各种应用中必不可少的。应用示例包括过流保护、4–20mA 系统、电池充电器、高亮度 LED 控制、GSM 基站电源、H 桥电机控制,您必须知道此类应用中流入和流出可充电电池的电流比(也就是电量计功能)。
随着越来越多的便携式应用,对专用电流监测器的需求已经大大增加,从而以小封装、低静态电流实现其任务。以下的讨论涵盖低边和高边电流监测器,包括其架构和应用。
采用高边还是低边监测器?

大多数电流测量应用采用低边原理,检测电阻与接地通路串联(图 1);或者采用高边原理,检测电阻与电源线串联(图 2)。两种方法都具有不同的优缺点。低边电阻在接地通路中增加了不希望的额外阻抗;采用高边电阻的电路必须承受相对较大的共模信号。此外,如果图 1 中运放的 GND 引脚以 RSENSE 的正端为基准,那么其共模输入范围必须覆盖至零以下,也就是 GND - (RSENSE × ILOAD)。
图 1. 低边电流监测器原理。

图 2. 高边电流监测器示例。
然而,不要因为低边测量电路的简单性而忽略高边测量方法的优势。多种故障会避开低边监测器,从而使负载面临危险和未检测到的情形(图 3)。注意,能够检测通过路径 A 连接的负载,但通过路径 B 的意外连接则避开了监测器。另一方面,高边监测器直接连接至电源,能够检测所有的下行故障并触发相应的补救措施。高边监测器也比较适合汽车应用,此类应用中的外壳作为地电势。
图 3. 如果负载意外接地,通路 B 可产生危险的高电流。

传统高边监测器

以前,这两种方案的许多实现方法都基于分立式元件或半分立式电路。最简单情况下,此类高边监测器要求高精度运放和少数几个精密电阻。高边测量的一种常见方法是使用传统的差分放大器作为增益放大器以及从高边至地的电平转换器(图 4)。尽管这种分立式电路使用广泛,但具有以下三个主要缺点:
输入电阻(等于 R1)相对较低。

输入端的输入阻抗通常呈现出较大偏差。

电阻必须良好匹配,以获得可接受的共模抑制比(CMRR):0.01%的电阻值偏差会将 CMRR 降低至 86dB,0.1%的偏差将其降低至 66dB,1%的偏差将其降低至 46dB。

高边电流监测需求带动了大量用于该目的的新集成电路的发展。另一方面,低边测量未推动新型相关 IC 的进步。

图 4. 差分放大器是高边电流测量电路中的基本元件。

集成全差分放大器

随着大量包含高精度放大器和精密匹配电阻的 IC 的推出,在高边电流测量中使用差分放大器变得非常方便。这些器件的 CMRR 达到 105dB 数量级,MAX4198/MAX4199 就是例子之一(图 5)。IC 采用 8 引脚µMAX 封装,典型 CMRR 达到 110dB,增益误差优于 0.01%。

图 5. 集成差分放大器(MAX4198/MAX4199)具有非常高的 CMRR。

专用高边监测器

高边电流测量的另一种方法以包含执行测量所需全部功能的 IC 为代表。这些 IC 在高达 32V 的共模电压下检测高边电流,并提供以地为基准的电流或电压输出,输出与被测电流成比例。电源管理、电池充电及其它必须高精度测量或控制电流的应用均受益于这些专用电流检测放大器。
Maxim 的高边电路检测放大器将电流检测电阻放在电源的正端与被监测电路电源输入之间。这种设计避免了接地区域上的外接电阻,大大简化了布局,通常会改善总体电路性能。Maxim 提供的单向和双向电流检测 IC 包括带有或不带内部检测电阻的双向器件。双向放大器包括一个用于指示电流方向的信号引脚。
这些单向和双向电流检测 IC 的型号包括带可调增益,+20V/V、+50V/V 或+100V/V 固定内部增益,以及内部增益加单或双比较器。器件采用小型封装,满足紧凑型应用的严格要求。
所有 Maxim 高边 IC 的共同点是具备提供以地为参考的电压或电流输出的能力,不需要或只需要很少的附加元件。输出信号与被测高边电流成比例,其共模电压可高达 32V。图 6 至 9 所示为集成高边电流监测器的几种架构。注意,MAX4172 电流源输出与 RSENSE 上的电压成比例。
新型高边监测器的方程式表明,外部电阻对 CMRR 的影响不再是问题,因为现在的 MRR(典型值大于 90dB)主要取决于集成放大器。在单片 IC 中集成电流检测功能具有如下优势:
有源和无源集成器件的严格容限

优异的温度系数(TC)

小尺寸
低功耗
易用性

图 6. 双向高边电流监测器的简化原理图(MAX9928/MAX9929),带有表示电流方向的 SIGN 输出。

图 7. 单向高边电流监测器(MAX4372)。

图 8. 另一种单向高边电流监测器(MAX4172)。

图 9. 单向高边电流监测器的另一种架构(MAX4173)。

选择 RSENSE 的相关考虑事项

在设计任何类型的电流监测器时,谨慎选择检流电阻(RSENSE)非常重要也必不可少。应遵循以下标准选择 RSENSE:
电压损耗:高 RSENSE 值造成电源电压通过 IR 损耗降低。最低的 RSENSE 值能够实现最少的电压损耗。

精度:高 RSENSE 值能够较高精度地测量低电流,因为其电压失调和输入偏置电流失调比检测电压小得多。

效率和功耗:大电流时,RSENSE 中的 I²R 损耗比较大,所以在选择电阻值和功耗额定值(瓦特)时应加以考虑。检测电阻温度过高也造成其电阻值漂移。

电感:如果 ISENSE 的高频成分较大,RSENSE 必须具有低电感。绕线片式电阻的电感最高,金属薄膜电阻稍好一些,但推荐低电感金属薄膜电阻(1.5Ω以下可用)。与金属薄膜和绕线片式电阻(也就是螺旋缠绕在核芯上)不同,低电感金属薄膜电阻由直金属条组成。

成本:对于 RSENSE 成本要求严格的应用,可将 PCB 走线作为检测电阻(图 10)。由于铜电阻的精度不高,需要利用电位计调节满幅电流。对于温度变化范围较宽的系统,铜电阻温度系数相当高(大约 0.4%/°C)。
图 10. 该高边电流监测器(MAX4172)采用 PCB 走线作为 RSENSE.
高边监测器的应用

图 11 所示的电路为可变线性电流源。IC1 将 R1 电流转换为成比例的输出电压,使电压调节器(IC2)产生稳压输出电流。为将 IOUT 设置为 0mA 至 500mA 之间的调节电流,在 ICONTROL 上施加 5V 至 0V 电压(5V 设置 IOUT = 0mA,0V 设置 IOUT = 500mA)。作为替代方案,您可增加如图所示的 D/A 转换器,对 IOUT 进行数字控制。对于 12 位分辨率(60µA/LSB),DAC 可为并行输入 MAX530 或串行输入 MAX531;对于 10 位分辨率(250µA/LSB),DAC 可为并行输入 MAX503 或串联行入 MAX504。
图 11. 可变线性电流源(MAX603)。
图 12 所示电路为 0–5A 可编程电流源,利用 4V 至 28V 电源产生 0A 至 5A 电流,具有两方面优势:12 位 D/A 转换器使其能够进行数字编程;开关模式降压型调节器(IC1)使其比使用线性晶体管的替代电流源的效率高。应用包括过流保护、4–20mA 系统、电池充电器、高亮度 LED 控制、GSM 基站电源以及 H 桥电机控制。
图 12. 0–5A 可编程电流源(MAX4173)。
通用串行总线(USB)的广泛应用带动了各种 2.7V 至 5.5V 电源过流保护电路的发展,但高于该电压范围的产品很少。图 13 所示的短路器工作在 26V 电源电压下,利用可编程电流门限进行触发。

图 13. 该高压短路器(MAX4172)提供高达 26V 的保护。
                                               

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