電流感應基礎知識 以毫微功率預算實現系統功耗最小化

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電流感應基礎知識 以毫微功率預算實現系統功耗最小化

廠商供稿 發表於 2018-05-29 16:35:34

第2部分：應用毫微功耗運算放大器幫助電流感應

在本系列文章的第一部分，我們討論了直流增益中偏移電壓（VOS）和偏移電壓漂移（TCVOS）的結構，以及如何選擇具有理想精確度的毫微功耗運算放大器（op amp），從而使放大後低頻信號路徑中誤差最小化。在第二部分中，我們將回顧電流感應的一些基礎知識，並介紹如何在提供精確讀數的同時，利用運算放大器來實現系統功耗最小化。

電流感應

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，實現用於系統保護和監測的電流感應。雖然專用的電流感應放大器能夠發揮十分出色的電流感應作用，但如果特別注重功耗的情況下，精密的毫微功耗運算放大器則是理想的選擇。

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）。

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：

儘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儘可能靠近接地，或者在高側感應時儘可能靠近電源。

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，所以電阻應儘可能小：

這裡要說明一點：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），以確保系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，系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。由於系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，對系統功率預算的影響很小。

感謝閱讀「如何以毫微功耗運算放大器實現精密測量」系列的第二部分。我們希望這一系列文章能夠為你提供一些關於在直流增益和低側電流傳感應用中使用毫微功耗零漂移運算放大器的益處的見解。

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