【導讀】設計者通過將一個非常小的“分流”電阻串聯在負載上,在兩者之間設置一個電流感應放大器或運算放大器,實(shi)現(xian)用(yong)於(yu)係(xi)統(tong)保(bao)護(hu)和(he)監(jian)測(ce)的(de)電(dian)流(liu)感(gan)應(ying)。雖(sui)然(ran)專(zhuan)用(yong)的(de)電(dian)流(liu)感(gan)應(ying)放(fang)大(da)器(qi)能(neng)夠(gou)發(fa)揮(hui)十(shi)分(fen)出(chu)色(se)的(de)電(dian)流(liu)感(gan)應(ying)作(zuo)用(yong),但(dan)如(ru)果(guo)特(te)別(bie)注(zhu)重(zhong)功(gong)耗(hao)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia),精(jing)密(mi)的(de)毫(hao)微(wei)功(gong)耗(hao)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)則(ze)是(shi)理(li)想(xiang)的(de)選(xuan)擇(ze)。
電流感應
設計者通過將一個非常小的“分流”電dian阻zu串chuan聯lian在zai負fu載zai上shang,在zai兩liang者zhe之zhi間jian設she置zhi一yi個ge電dian流liu感gan應ying放fang大da器qi或huo運yun算suan放fang大da器qi,實shi現xian用yong於yu係xi統tong保bao護hu和he監jian測ce的de電dian流liu感gan應ying。雖sui然ran專zhuan用yong的de電dian流liu感gan應ying放fang大da器qi能neng夠gou發fa揮hui十shi分fen出chu色se的de電dian流liu感gan應ying作zuo用yong,但dan如ru果guo特te別bie注zhu重zhong功gong耗hao的de情qing況kuang下xia,精jing密mi的de毫hao微wei功gong耗hao運yun算suan放fang大da器qi則ze是shi理li想xiang的de選xuan擇ze。
有兩個位置可以根據負載放置分流電阻:負載與電源之間(圖1),或者負載與接地之間(圖2)。
圖1:高側電流感應
圖2:低側電流感應
在這兩種情況下,為了利用已知阻值的電阻來感應電流,通過運算放大器來測量分流電阻兩端的電壓。運用歐姆定律(公式1),可以確定電流消耗:
其中 V 表示電壓,I 表示電流,R 表示電阻。
選擇分流電阻和運算放大器,這樣它們對電路的性能影響最小。在選擇電阻時,根據以下兩個條件選用低值電阻:
盡量將電阻兩端的壓降保持在低水平,使負載的負極在低側感應時盡可能靠近接地,或者在高側感應時盡可能靠近電源。
保持低功耗。從公式2可以看出,由於你要測量的是電流,因此它是一個自變量,所以電阻應盡可能小:
這裏要說明一點:由於你要測量電流而不是讓電流最小化(如我再第一部分中所做的),所以你必須將電阻值最小化,才能讓功耗最小化—這與DC增益配置中功耗管理的思路相反。
超低功耗電流測量技術廣泛應用於移動電源、手機等終端設備的電池充電和監測,也可以用於保證工業物聯網應用的正常運行。
那麼在選擇電阻值時,可以壓到多低呢?簡單地說,電阻兩端的壓降應當大於你所用運算放大器的偏移電壓。
示例
假設你要進行低側差動電流測量(圖3),以確保係統中不存在短路和開路。為了簡易起見,本示例選用簡單的數字,忽略諸如電阻容差之類的參數。
圖3:低側差動電流測量
電源電壓為3.3V。在正確操作的情況下,係統得出最大電流值為10mA;你不想要有效接地,使負載高於100µV。你首先要明白一點,分流電阻的壓降(由於電流)必須小於或等於100µV。
如果你使用公式3來確定最大分流電阻:
則有效接地為100µV,如公式4所示:
您必須選用運算放大器,它能夠檢測到這種壓降的變化,表明是否存在故障。由於係統處於正常工作狀態時,負載電流在其典型值±10%範圍內。當電流變化至少10%時,運算放大器就可以檢測出感應電阻兩端的電壓變化。
如果存在故障(如:開路,低電流導致的欠壓,高電流導致的短路或掉電),公式5表示電流的變化(IΔ):
公式6計算出VSHUNT壓降的變化:
在這個例子中,我會選擇LPV821零漂移毫微功耗放大器。其零漂移技術可實現僅10µV的最大偏移電壓,從而檢測到故障情況。零漂移運算放大器是高精度(<100µV)測量的理想選擇。此外,LPV821也是一種毫微功耗放大器,你可以讓它一直處於開啟狀態,持續準確地感測電流,對係統功率預算的影響很小。
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