使用無電阻傳感解決方案擴(kuò)大電流測量范圍
測量系統(tǒng)中的電流是監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)的基本但強(qiáng)大的工具。借助先進(jìn)的技術(shù),電子或電氣系統(tǒng)的物理尺寸大大縮小,降低了功耗和成本,而在性能方面并沒有太大的折衷。每個(gè)電子設(shè)備都在監(jiān)控自己的健康和狀態(tài),這些診斷提供了管理系統(tǒng)所需的重要信息,甚至決定了其未來的設(shè)計(jì)升級。
越來越需要測量系統(tǒng)中從微小電流水平到幾安培電流的各種電流。例如,在以下情況下可以看到確定系統(tǒng)中電流或消耗的高動(dòng)態(tài)范圍:
1. 睡眠/非活動(dòng)電流,用于確定除正常操作之外的整體負(fù)載性能和電池/電源功率估計(jì)。
2. ATE/測試環(huán)境需要處理微小/低微安電流水平以安培電流水平,從而需要研發(fā)或生產(chǎn)水平測試。
3. 生產(chǎn)車間環(huán)境以捕捉生產(chǎn)問題(IC 下的助焊劑、不必要的焊接短路或開路)以及正常的操作功能測試。
4. 工業(yè)設(shè)備監(jiān)控,開啟和關(guān)閉期間的功耗提供了設(shè)備的健康狀況,例如,監(jiān)控設(shè)備中的正常電流和泄漏電流以確定其隨時(shí)間的磨損。
圖 1. 電流檢測放大器 (CSA) + 檢測電阻。
圖 1 顯示了一個(gè)帶有檢測電阻的 CSA。在高達(dá) 80V 的較高電壓電平(共模電平)應(yīng)用中,一個(gè)簡單的外部電流檢測放大器 (CSA)(但復(fù)雜的集成電路設(shè)計(jì),其架構(gòu)滿足精度和準(zhǔn)確度)和檢測電阻器是解決方案測量電流時(shí)的大多數(shù)問題。電流檢測放大器目前具有一流的準(zhǔn)確度和精度,可滿足實(shí)現(xiàn)微安級電流水平的需求,同時(shí)仍保持更好的信噪比 (SNR) 性能,以提供系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的測量分辨率。
然而,為設(shè)計(jì)師選擇優(yōu)化的 CSA 并非易事。有一些權(quán)衡需要考慮(圖 2):
1. 可用供應(yīng)
2. 最小可檢測電流(轉(zhuǎn)換為器件的輸入失調(diào)電壓 (V OS ) 有多低)
3. 最大可檢測電流(轉(zhuǎn)換為最大輸入檢測電壓 (V SENSE ))
4. R SENSE上允許的功耗
圖 2. 使用 CSA 和 R SENSE時(shí)要考慮的設(shè)計(jì)約束。
由于差分電壓范圍是由電流檢測放大器的選擇設(shè)置的,因此增加 R SENSE值可以提高較低電流值的測量精度,但在較高電流時(shí)功耗較高,這可能是不可接受的。此外,感測電流的范圍減?。?/span>I MIN : I MAX)。
降低 R SENSE值更有利,因?yàn)樗档土穗娮杵鞯墓模黾恿烁袦y電流范圍。降低 R SENSE值會(huì)降低 SNR(可以通過平均輸入處的噪聲來提高 SNR)。應(yīng)該注意的是,在這種情況下,設(shè)備的偏移會(huì)影響測量的準(zhǔn)確性。通常,在室溫下進(jìn)行校準(zhǔn)是為了提高系統(tǒng)精度,消除偏移電壓并增加某些系統(tǒng)的測試成本。
此外,輸入差分電壓范圍 (V SENSE ) 取決于電源電壓或內(nèi)部/外部參考電壓和增益:
在任何實(shí)現(xiàn)高電流范圍的應(yīng)用中,目標(biāo)是最大化目標(biāo)精度預(yù)算的動(dòng)態(tài)范圍,這通常由以下等式估算:
對于大多數(shù)輸入失調(diào)電壓約為 10μV 的 CSA, V SENSE-RANGE通常為 100mV。請注意,如果 V SENSE_MIN選擇為 10xV OS因子,則在未校準(zhǔn)系統(tǒng)中,這最多可提供 3 個(gè)十倍頻程,誤差為 ±10%。同樣,如果選擇 100xV OS,則可以實(shí)現(xiàn) ±1% 的誤差范圍,但動(dòng)態(tài)范圍會(huì)縮小到 2 個(gè)十倍頻程。因此,需要在動(dòng)態(tài)范圍和精度之間進(jìn)行權(quán)衡:收緊精度預(yù)算會(huì)降低 V SENSE_MIN規(guī)定的動(dòng)態(tài)范圍,反之亦然。
需要注意的一點(diǎn)是,在 CSA + R SENSE系統(tǒng)中,R SENSE(容差和溫度系數(shù))通常是系統(tǒng)總精度的瓶頸。這仍然是業(yè)界監(jiān)控/測量系統(tǒng)電流的有效做法,因?yàn)榕c電量計(jì)、集成芯片電阻器的 CSA、使用運(yùn)算放大器的差分放大器的離散實(shí)現(xiàn)等其他替代品相比,它簡單、可靠且成本合理。可以找到更高等級的容差和溫度系數(shù)檢測電阻器,但價(jià)格更高。應(yīng)用在溫度范圍內(nèi)的總誤差預(yù)算需要與 R SENSE產(chǎn)生的誤差相等。
無電阻傳感解決方案:
對于需要測量從幾百微安到幾安培的更高動(dòng)態(tài)范圍電流的應(yīng)用,下圖 3 所示的集成電流傳感設(shè)備 (U1) 是非常有用且有效的解決方案。該解決方案符合以下標(biāo)準(zhǔn):
1. 集成傳感元件(無電阻)
2. 大于 4 十倍頻程的電流感應(yīng)動(dòng)態(tài)范圍
3. 電流輸出功能(與 160Ω 負(fù)載一起提供 0-1V V OUT,兼容所有 ADC/微控制器輸入以實(shí)現(xiàn)電流)。
圖 3:具有集成電流感應(yīng)元件的 2.5V 至 5.5V 電流感應(yīng)系統(tǒng)
代替外部檢測電阻器,V DD輸入和負(fù)載 (LD) 輸出之間存在集成檢測設(shè)備,能夠測量100uA 至 3.3A的系統(tǒng)負(fù)載電流 (I LOAD )。增益為 1/500 的內(nèi)部增益模塊提供 ISH 的輸出電流,即 . 一個(gè) 160Ω 電阻從 ISH 電流輸出連接到 GND,轉(zhuǎn)換為從 0V 到 1V的 V ISH電壓輸出。
在 3A 負(fù)載電流下,傳感元件器件上的 V DD和 LD之間的壓降約為 60mV(圖 1),僅相當(dāng)于 180mW 的功耗,而在較低的電流值下,檢測到 100μA 范圍的總誤差在該區(qū)域內(nèi)10%(圖 2)。再加上在較高電流負(fù)載下的功耗更低,并且在較低電流水平下仍保持改進(jìn)的誤差預(yù)算,該方案優(yōu)于圖 1 的傳統(tǒng)檢測電路。因此,需要高達(dá) 3A 檢測的更寬電流檢測范圍的應(yīng)用可以從該方案中受益。
具有擴(kuò)展線路/輸入電壓的無電阻傳感解決方案:
圖 4 是圖 3 的輸入電壓范圍擴(kuò)展,其中 U1 的電源電壓現(xiàn)在可以接受更高的線路電壓,高達(dá) 6V 至 36V。齊納二極管 (D1) 將 V DD和 PFET (M1) 柵極之間的電壓維持在5.6 V。高壓線的大部分被 M1 吸收,M1 的源極鉗位到距離 V 大約 4V-4.5V DD輸入電壓,從而將 U1 工作電壓 (V DD -V SS ) 保持在其正常工作范圍內(nèi)(圖 3)。然后,這個(gè) M1 的源極電壓偏置 M2 PFET 的柵極電壓。M2 PFET 源極位于 V SS (U1) + V TH(M2) 確保 U1 ISH 輸出在可接受的電壓范圍內(nèi)。ISH 電流輸出和 R1 產(chǎn)生相對于 GND 的 0 至 1V 輸出。
圖 4. 具有集成電流感應(yīng)元件的 6V 至 36V 電流感應(yīng)系統(tǒng)
參考 |
設(shè)備 |
描述 |
D1 |
CMFZ4690 |
5.6V齊納 |
M1 |
BSP322PH6327XTSA1 |
MOSFET P-CH 100V 1A SOT-223 |
M2 |
BSP322PH6327XTSA1 |
MOSFET P-CH 100V 1A SOT-223 |
U1 |
MAX40016ANL+ |
WLP 封裝中的四個(gè)十年無電阻器 CSA |
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
下面是圖 4 電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
圖 1:內(nèi)部傳感元件上的電壓降與負(fù)載電流的關(guān)系
圖 2:ISH 輸出的增益誤差與不同溫度下的負(fù)載電流
圖 3:MAX40016 電源電壓 (V DD -V SS ) 與 V LINE的函數(shù)關(guān)系
圖 4. I LOAD階躍變化從 0 到 3A 的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。
結(jié)論
如圖所示,無電阻傳感方法使設(shè)計(jì)具有高達(dá) 36V 的擴(kuò)展工作范圍的 4-decade 電流傳感架構(gòu)成為可能。