传感器与IC简化电流测量技术

传感器与IC简化电流测量技术

     今天在各个层次上对能量效率的需求，使电流成为一项快速增长的测量指标。设计人员现在能从令人眼花缭乱的各种硬件中进行选择，来最佳地实现对主电路影响最小的技术。
    
     要点：
    
     * 库仑计数器适用于移动充电器
     *　高端测量可保证精度与安全
     * 差分放大器把小检测电压归因于接地
     * 检测FET可实现动态在线测量
     * 霍尔效应传感器测量交流与直流
    
     从电池供电的小型轮胎气压传感器到数兆瓦的风力涡轮发电机，今天的电子学性质与不断提高的能量效率要求，正在使能量测量成为每一位设计人员的热门话题。在规模较小的低端，每一种便携式电子设备都要求用比以往更好的电池功率管理来增长工作时间，并为用户提供更多的特性。而在大规模的全国性供电电网方面，快速、精确及结实可靠的传感器，是在不断变化的电网条件下提供用于平衡发电机输出的伺服环路反馈的基础。多数应用则处于这两种极端应用之间，包括汽车电源调整、消费电子直至工业过程控制等。在上述各种情况下，具备电流测量能力是半导体厂商与传感器制造商所提供的各种器件（设备）的关键要求。在目前已经独立出来的这个市场中，家庭能量计将测量电流与电压的能力以低成本的方式合并在一个互相矛盾的环境中（参见附文“电表要求采用电子测量”）
    
     无论功率水平如何，测量必须总是能与ADC之类监控逻辑进行接口。尽管设计人员常常认为电压测量不过是小菜一碟，但今天的IC与传感器常常使得更容易进行电流测量——尤其在与交流电源隔离成为一个问题的情况下。但在深入研究交流电源测量之前，由于即便有修改概念也基本相同，因此有必要讨论直流应用以及可简化设计人员工作的各种途径。当然，电池供电设备长期以来一直采用功率测量来报告电路状态。但具有讽刺意味的是，或许是机械与电气元件所取得进展正在使经典案例——汽车充电电路——在商品汽车中变得日益罕见。虽然每辆汽车都用伏特计和安培计来告诉驾驶员哪里要出故障的日子已经一去不复返了，但这种类比在汽车消费电子领域变得比以往更加重要。
    
     尽管大量汽车电子设备都用电池终端电压测量来得出至下一个充电周期前所剩下的工作时间，但峰值负载（例如数码相机上的闪光灯）却要求用功率测量来管理能量资源并优化整体设备运行。例如，如果剩下的电量不足以使相机继续工作的话，则微控制器可能会选择禁用闪光灯。另外，电池电压测量为电池容量的一种粗略近似，它会在电池使用过程中随电池电化学性能的下降而逐渐变差。鉴于此，一种所谓的库仑计算技术日益受到了人们的宠爱。这里，电流与电压用来监视定时器在充、放电过程中的增加与减少，其满量程值即表示电池的容量。例如在电池供电轮胎气压监视系统(TPMS)中，由于没有机会给能源充电，且器件工作正常即意味着安全，因此随着器件周期性地在待机与工作模式间转换，监视电路以毫微安/秒为单位来测量电池放电，误差信号即表示剩余电量是否不足（参考文献1）
    
     虽然TPMS等小型设备要求使用ASIC，但库仑计数器也容易作为ADC/定时器在商用微控制器中实现。而像智能电池组等更复杂的应用，则可以使用集成了外围功率管理功能的专用电池能量监测器IC。像Atmel公司的新型ATmega406芯片，即在微控制器的周围安排了稳压器与支持电路（包括用于电池充电的FET驱动器和用于电流与电压监视的两个ADC），以构建一个用于锂离子电池组充电器的自主控制器。配上通过5mΩ电流旁路而获得0.67mA分辨率的18位库仑计数器，该器件±30A的范围还建议用于更广泛的控制设备中，使这些设备能充分利用40k字节闪存、2k字节RAM以及512k字节EEPROM的优势。
    
     保护测量精度
    
     几乎无一例外，监视与控制电路都需要有将测量值归于系统接地的接口，这给设计人员带来了这样一个老问题，即如何最佳地将任意电平电压上的电流转换成适合现成逻辑的电平。在传统上适合高灵敏度动圈直流安培计的传统低端检测技术，是在电源返回路径中插入一个电流检测电阻器并测量其上产生的电压。这种安排还具有将测量值参考至高压交流电路中的中性电位上的优势，从而能避免高共模电压并简化瞬态保护——尽管不能检测电机线圈与其外壳之间的短路。但要想与逻辑电路接口，就必须将ADC信号接地与电路接地相连，且对于所有其他电路来说，使检测电阻器动态电位浮动会在多个电路间造成偏差。此外，这种安排还难以给单个电路（包括ADC）提供其所需的电流，并容易给接地面引入讨厌的阻抗。由于ADC的输入灵敏度远小于安培计典型75mV的满量程电压，故必须用一个可处理共模电压（包括接地）的仪表放大器来将检测电压提升至合适的水平。
    
     高端测量可克服以上这些问题，而且实际上在应用中是强制性的，担负大量公共接地－返回路径，如汽车那样。问题现在集中在以一个加在正电源线上的小检测电压为参考的地上。虽然可采用真正的差分放大器或仪表放大器方法，但要求有匹配良好的电阻器来保持共模抑制比(CMRR)以及保持精确的增益性能（图1a），例如，任何两个电阻器间0.1%的不平衡即会将CMRR降为66dB。
    
     像具有1和10固定增益的Maxim公司MAX4198/99芯片，即集成了这些电阻器并具有优于0.01%的增益精度与大于110dB的CMRR。封装选项包括该公司的小型8引脚mMAX封装，起价大约为1.25美元（批量1000片）。该公司还提供各种用于电流检测应用的元件。Analog Devices公司也在其电流检测放大器系列中提供各种用于高共模检测的仪表放大器。例如，AD8205具有的65V工作电压极限使其适合用于汽车42V PowerNet监控。与内部分压器链路的灵活连接，使其易于进行偏置和换算输出电压以适合进行单极型与双极型测量。售价为1.35美元（批量1000片）的该型芯片采用工作温度规定为-40℃~+125℃的8引脚SOIC封装。
    

     差分放大器配置也适合高电压环境工作。例如，凌特科技公司(Linear Technology)的LT1990器件，采用±15V电源工作时，即能适应高达±250V的共模电压，并具有由外部链路设定的1或10增益。它还采用分别高达±350V 或±500V的共模瞬态保护，使其非常适合于工业应用。采用SO8封装的LT1990具有最小70 dB的CMRR及最大0.28%的增益精度误差，起价为1.35美元（批量1000片）。同系列器件——LT1991，可在±60V的输入电压范围内提供更高的精度。它包括8个片上精密匹配的硅－铬电阻器，允许在小于0.04%的增益误差及大于75dB的CMRR下设定-13~+14的增益。该运放在3nA偏置电流下的典型输入失调电压为15mV，采用2.7V~±18V单电源工作，并在大约100mA的电流下具有最小的功耗。此外，该器件还是一款在110kHz频率上保持了-3dB单位增益响应的560kHz增益带宽产品。10引脚MSOP封装或无铅DFN封装的起价为1.39美元（批量1000片），大小仅为3mm见方。
    
     另一种差分放大器方法配置的器件是采用一个满摆幅输入运放直接在电源电压上放大检测电压（图1b）。由于采用P沟道MOSFET Q1来做作为电流源，因此负反馈会将差分电压施加于检测电阻器R1上，然后R1中的电流再通过R2流向接地。在此种情况下，CMRR只取决于运放的能力，且输出电压直接接地。但需仔细选择满摆幅输出运放，因为当在中范围内工作的晶体管截止并由另一个设定成靠近线路电压工作的晶体管接任时它们在几伏的线路电压值内即呈现为非线性（参考文献2）。另外，也可选择像凌特科技公司的新型LTC6101器件来进行电阻器分流测量。这种全CMOS的器件集成了运放与FET，以提供最小110dB的PSRR（电源抑制比）。具有在室温下最大450mV的输入失调电压及170nA的输入偏置电流的该器件，适用于4V~60V环境下高达500mV的检测电压，响应时间在1ms范围内。
    
     凌特科技公司信号调整部总经理Erik Soule指出，当芯片测量其自身在14V上的大约为250mA电流消耗时，可以从电池或从负载一侧来给芯片供电。他说，“实际上，利用0.1% 的增益设定电阻器，您就能很容易得到优于1%的性能，因为电阻器是主要的误差源。”5引脚1mm高SOT-23封装的LTC6101芯片，起价为1.04美元（批量1000片）。Soule还推荐了其他检流元件，包括更高电压的LTC6101以及带输出缓冲与4种增益设定的双极型器件。
    
     对于高精度工作，凌特科技公司可提供其LT1787芯片。此8引脚器件的40mV输入失调电压，可允许在250mV检测电压下实现12位ADC的精度。它采用2.5V~36V或60V（带HV下标）电源工作，仅消耗大约60mA的电流，具有大约120dB的PSRR。两个终端——FIL+与FIL-，通过在芯片输入分压器链路的中间增加一个电容器，可提供额外的差分信号滤波与共模信号滤波（图2）。工作时，运放将其反相与正相输入之间的电位驱动至零，以使输入电阻器中的电流流入Q1与Q2。电流镜将（图2）电流相加并以固定为8的输入－输出增益将其转换成单端输出。偏置引脚为电压输出提供一个参考电平，且一般连接至ADC的参考电压。此连接可确保IC的电流至电压转换器 (ROUT) 跟踪ADC参考电压随时间、温度的变化。正电流使输出电压相对于偏置电平为正，而负电流则正好相反。工业应用温度范围及汽车应用温度范围的SOIC器件，指导价为2.05美元（批量1000片）。
    
     另一种适合很多应用的选项利用从匹配晶体管对上构建的电流镜来反映小部分到接地负载电流。由Zetex 公司提供的第一代ZDS1009器件，R2两端的任何电压都会在R1中引起一个平衡电流（图3）。如果R3等于R4，则传输特性为(I×R2)×(R4/R1)，使得易于将接地参考的输出电压换算为适合ADC的电平。今天，该公司的ZXCT系列采用一个外部电阻器来设定电路增益，并采用3或5引脚SOT-23封装，一般在2.5V～20V电源范围内可为100mV检测电压提供1%的精度。Zetex公司市场营销经理Alan Buxton指出，5引脚器件通过包含一个用于IC静态电流的接地引脚而能提供更高的精度，对于针对在100mV检测电压上工作进行优化的ZXCT1009器件，该静态电流通常为4mA。
    
     “通过使其输出浮动，3引脚器件可提供更大的设计灵活性。只需简单地在芯片输出