簡(jiǎn)化電流感應(yīng),如何使用電流檢測(cè)放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)（一）

使用數(shù)字電流傳感器進(jìn)行功耗和能耗監(jiān)測(cè)

隨著對(duì)高能效系統(tǒng)的需求不斷增長(zhǎng)，精確監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功耗 和能耗變得越來(lái)越重要，而這也是越來(lái)越多的工程師必 須解決的問(wèn)題。該問(wèn)題的一種解決方案是對(duì)電流和電壓 均使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，然后在處理器中對(duì)結(jié)果做乘 法以獲得功耗。不過(guò)，獲取電流和電壓信息之間的通信 延遲和開(kāi)銷(xiāo)會(huì)在功耗測(cè)量中引入時(shí)間對(duì)準(zhǔn)誤差，因?yàn)殡娏骱碗妷憾伎赡鼙舜霜?dú)立地變化。

為了盡可能減小電壓和電流測(cè)量之間的延遲，處理器需 要為 ADC 通信和功耗計(jì)算提供足夠的處理能力。即使 具有主要 用于此功能的處理器，與系統(tǒng)中其他器件的任何交互也 可能延遲電壓和電流測(cè)量并降低功耗監(jiān)測(cè)精度。增加額 外的職責(zé)（如計(jì)算平均系統(tǒng)電壓、電流和功耗以及進(jìn)行 能耗監(jiān)測(cè)）將進(jìn)一步加重處理器執(zhí)行額外功能的負(fù)擔(dān)。

一種更好的功耗監(jiān)測(cè)方法是使用數(shù)字電流監(jiān)視器來(lái)執(zhí)行數(shù)學(xué)處理，將處理器解放出來(lái)處理其他系統(tǒng)任務(wù)，僅在 需要進(jìn)行更高級(jí)別的系統(tǒng)操作時(shí)通知處理器。TI 提供 廣泛的數(shù)字功耗和電流監(jiān)視器來(lái)解決該問(wèn)題。一款此 類(lèi)器件是INA233，它可以通過(guò)與 I2C、系統(tǒng)管理總線 (SMBus)、電源管理總線 (PMBus) 兼容的接口來(lái)監(jiān)測(cè)電 壓、電流、功耗和能耗。圖1 INA233的方框圖。

圖1：INA233典型應(yīng)用電路

圖2是電源轉(zhuǎn)換引擎的簡(jiǎn)化方框圖。在該圖中，在 內(nèi)部以交錯(cuò)方式通過(guò)分流電壓和總線電壓測(cè)量值計(jì)算功耗，從而最大限度地減小功耗計(jì)算中的時(shí)間對(duì)準(zhǔn)誤差。

圖2：INA233電源轉(zhuǎn)換引擎

內(nèi)部功耗計(jì)算在后臺(tái)執(zhí)行，不影響 ADC 轉(zhuǎn)換速率或數(shù)字總線通信。該器件還具有一個(gè)ALERT引腳，它會(huì)在電 流、功耗或總線電壓超出預(yù)期工作范圍時(shí)通知主機(jī)處理 器。INA233會(huì)獨(dú)立處理故障事件；在ALERT引腳有效 時(shí)讀取內(nèi)部狀態(tài)寄存器可以報(bào)告多個(gè)同時(shí)存在的故障情 況。INA233的內(nèi)部處理和通知功能可將主機(jī)處理器解放 出來(lái)管理其他任務(wù)，同時(shí)該器件會(huì) 持續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。僅當(dāng)需要額外的關(guān)注時(shí)，才會(huì)通過(guò)ALERT引腳通知主機(jī)處理器。 

INA233還具有一個(gè) 24 位的功耗累加器，它會(huì)將當(dāng)前的 功耗讀數(shù) 與先前的功耗讀數(shù)之和相加。該功耗累加器可監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 能耗，從而得到隨時(shí)間推移的平均功耗測(cè)量值。由于功耗水平可能在任何給定時(shí)刻波動(dòng)，因此通過(guò)能耗監(jiān)測(cè)可以更好地衡量長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)的平均系統(tǒng) 功耗。了解系統(tǒng)能耗還可以衡量系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間和功效， 以及涉及電源電壓和處理器時(shí)鐘頻率調(diào)節(jié)的功耗優(yōu)化的 效果。

用于分流電壓和總線電壓測(cè)量的ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間可編程為 介于 140μs 和 8.244ms 之間。較長(zhǎng)的轉(zhuǎn)換時(shí)間有助于 降低噪聲敏感性和提高器件測(cè)量的穩(wěn)定性。圖 3 顯示了增加 ADC 轉(zhuǎn)換時(shí)間的 效果。

圖3：噪聲與ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間的關(guān)系

除了可編程的ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間之外，該器件可對(duì)多達(dá) 1,024 個(gè)轉(zhuǎn)換周期計(jì)算平均值，并在平均值計(jì)算完成后 更新內(nèi)部功耗、電流和電壓寄存器。通過(guò)可編程轉(zhuǎn)換時(shí) 間以及平均值計(jì)算窗口，可以調(diào)節(jié)器件遙測(cè)更新速率以 滿足系統(tǒng)時(shí)序需求。

盡管INA233 具有內(nèi)置的平均值計(jì)算和可調(diào)節(jié)的 ADC 轉(zhuǎn) 換時(shí)間，但您必須等待平均值計(jì)算完成后才能讀取結(jié) 果。內(nèi)部功耗累加器的一個(gè)好處是使主機(jī)能夠按需計(jì)算平 功耗，從而消除等待平均值計(jì)算時(shí)間間隔結(jié)束的延遲。

通過(guò)獲取總累加功耗值并除以該累加周期的 總樣本數(shù)，可按需獲得平均功耗讀數(shù)，如公式 1 所示：

計(jì)算出平均功耗之后，可以通過(guò)將平均功耗乘以該平均 值的時(shí)間間隔或通過(guò)將總累加功耗乘以 ADC 轉(zhuǎn)換時(shí)間來(lái) 確定能耗，如公式 2 所示： 

由于 ADC 轉(zhuǎn)換時(shí)間可以變化高達(dá)10%，因此最好用平均功耗乘以使用外部時(shí)間基準(zhǔn)測(cè)出的時(shí)間。能耗計(jì)算的時(shí)間間隔應(yīng) 該足夠長(zhǎng)，從而使數(shù)字總線產(chǎn)生的通信時(shí)間 對(duì)于能耗計(jì)算中使用的總時(shí)間而言無(wú)關(guān)緊要。INA233 中的功耗累加器的大小限制在 24 位。主機(jī)應(yīng)定期讀取累加器的值并將其 清除以避免溢出。還可以將累加器配置為在每次讀取后自動(dòng)清除。

溢出的時(shí)間將是功耗、ADC 轉(zhuǎn)換時(shí)間和平均時(shí)間的函數(shù)。相對(duì)于較低的功耗水平，較高的功耗水平將導(dǎo)致功 耗累加器更快發(fā)生溢出。此外，較長(zhǎng)的轉(zhuǎn)換時(shí)間和更高 的平均數(shù)將 延長(zhǎng)溢出的時(shí)間；在較低功耗的情況下， 溢出的時(shí)間可以延長(zhǎng)至幾個(gè)小時(shí)， 甚至長(zhǎng)達(dá)幾天。

INA233 是 TI 提供的諸多數(shù)字電流監(jiān)視器之一。表 1 顯示了一些還可以監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并有助于將主機(jī)處理器解放出來(lái)處理更高級(jí)別任務(wù)的替代器件。

使用電流檢測(cè)放大器的PLC系統(tǒng)中分立式數(shù)字輸出的安全和保護(hù)

可編程邏輯控制器 (PLC) 是一種在用于工廠自動(dòng)化應(yīng)用 的工業(yè)控制系統(tǒng)中最廣為接受的計(jì)算機(jī)協(xié)議。PLC 系統(tǒng) 是用于控制、提供系統(tǒng)狀態(tài)和設(shè)置系統(tǒng)狀態(tài)優(yōu)先順序的 維修系統(tǒng)。這種控制器通過(guò)與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)非常相似的基 本二進(jìn)制邏輯進(jìn)行編程。

PLC 系統(tǒng)由以下部分組成：

? PLC 計(jì)算機(jī)處理器。

? 電源機(jī)架。

? 電源背板。

? 數(shù)字輸入和輸出模塊。

? 模擬輸入和輸出模塊。

? 計(jì)算機(jī)軟件.

? 用于遠(yuǎn)程連接的網(wǎng)絡(luò)接口. 

PLC 系統(tǒng)廣泛用于可加快工業(yè) 4.0 革命的工業(yè)應(yīng) 用。PLC 系統(tǒng)能夠更快地集成半導(dǎo)體器件，實(shí)現(xiàn)控制和自動(dòng)化，從而提高效率和工廠生產(chǎn)能力。工業(yè)自動(dòng)化 和集成示例包括控制溫度、打開(kāi)和關(guān)閉故障指示燈、使用壓力傳感器對(duì)包裹進(jìn)行稱重或打開(kāi)和關(guān)閉電磁閥繼電器。 

由于工業(yè)系統(tǒng)可能是高頻信號(hào)和噪聲與低電壓信號(hào)相互摻雜的嘈雜環(huán)境，因此PLC系統(tǒng)的輸出模塊是光耦合的?？乖肼暦€(wěn)定性、簡(jiǎn)單的架構(gòu)、編程語(yǔ)言易用性、工 業(yè)認(rèn)證和安全功能是PLC系統(tǒng)成為最廣泛使用的工業(yè)協(xié) 議的原因。

圖1說(shuō)明了 PLC 系統(tǒng)的輸入和輸出，它們分為數(shù)字和 模擬兩種類(lèi)型。 數(shù)字輸入為控制電路提供開(kāi)/關(guān)狀態(tài)。 數(shù)字輸入器件的一些示例包括限位開(kāi)關(guān)、光電傳感器、 接近傳感器和壓力傳感器。模擬輸入器件（例如 熱電偶、轉(zhuǎn)速計(jì)和力敏傳感器）提供可變的輸出響應(yīng)。

PLC數(shù)字輸出用于打開(kāi)和關(guān)閉起動(dòng)機(jī)以使用電機(jī)，打開(kāi)燈以指示故障或控制使用繼電器的電磁閥。

模擬輸出包括電流水平輸出和電阻水平，它們可控制和監(jiān)測(cè)加熱器或控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

圖1：PLC系統(tǒng)方框圖

圖 2 顯示了一個(gè) PLC 數(shù)字輸出電路。 PLC 數(shù)字輸出具備高達(dá)1A的高驅(qū)動(dòng)

– 強(qiáng)度功能。連接之后的數(shù)字輸出可以驅(qū)動(dòng)電磁閥繼電器，以控制 PLC 控制器啟動(dòng)的操作。

與負(fù)載串聯(lián)的分立 式電流傳感器（如圖 2 所示）持續(xù)監(jiān)測(cè)流向負(fù)載的 電流， 并向控制器報(bào)告存在過(guò)多電流以采取措施。由于 PLC 數(shù) 字輸出的擺幅范圍為 -0.7V 至 24V，因此失調(diào)電壓和增 益誤差較低的高側(cè)電流檢測(cè)放大器可確保高輸出驅(qū)動(dòng)的 安全。

圖2：PLC數(shù)字輸出灌電流電路

由于 PLC 數(shù)字輸出驅(qū)動(dòng)可能很高，因此灌電流能力是其 中的一個(gè)關(guān)鍵安全 HF。輸出設(shè)計(jì)有 N 溝道 P 溝道 N 溝道 (NPN) 晶體管 以及內(nèi)置的二極管以實(shí)現(xiàn)過(guò)壓保護(hù)。當(dāng)使用 PLC 數(shù)字輸 出時(shí)，來(lái)自電源的灌電流會(huì)始終處于 PLC 額定過(guò)熱工作 范圍內(nèi)。分立式電流檢測(cè)放大器可保護(hù)數(shù)字輸出免受過(guò) 流情況的影響，提供診斷以解決有故障的負(fù)載狀況，并針對(duì)過(guò)早的系統(tǒng)故障采取預(yù)防性措施。

通過(guò)將 PLC 數(shù)字輸出直接連接到高電流電磁閥驅(qū)動(dòng)器或 高電流 LED 燈，可以在工廠自動(dòng)化應(yīng)用中關(guān)閉繼電器或 指示故障。如果電流輸出驅(qū)動(dòng)高于 PLC 系統(tǒng)的額定值， 則可以使用分立式場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 來(lái)控制從 24V 電源到負(fù)載的電流。

圖 3 說(shuō)明了PLC數(shù)字輸出與外部低 RDS(on) FET 的連 接（用于進(jìn)一步增加輸出驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度）。 該方法的一個(gè)缺 點(diǎn)是外部 FET 的可靠性問(wèn)題。使用電流檢測(cè)放大器來(lái)監(jiān) 測(cè)負(fù)載電流可確保 PLC 系統(tǒng)安全運(yùn)行。 

圖3：PLC分立式數(shù)字輸出控制

INA240是雙向電流檢測(cè)精密放大器，在工作溫度范圍內(nèi) 具有較低的輸入失調(diào)電壓和增益漂移，可用于測(cè)量分立 式 PLC 數(shù)字輸出上的電流。 INA240 專(zhuān)用于共模瞬變具 有較大的 dv/dt 信號(hào)的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)環(huán)境。由于能夠抑制較 高的 dv/dt 信號(hào)，因此可對(duì)電流進(jìn)行精確測(cè)量，從而確 保必要的 保護(hù)并符合所需的安全標(biāo)準(zhǔn)。INA240 的最大輸入失調(diào)電 壓較低，為 25μV，最大增益誤差為 0.2%，可在不影響 測(cè)量精度的情況下使用較小的分流電阻值。

失調(diào)電壓溫漂和增益誤差漂移分別低至 0.25μV/°C 和 2.5ppm/°C，從而能夠在不同溫度下實(shí)現(xiàn)精確且穩(wěn)定的 電流測(cè)量。INA240 的信號(hào)吞吐量帶寬為 400kHz，增益 為 20。高帶寬和高壓擺率 (2V/μs) 使得該放大器可以快速檢測(cè)過(guò)流或短路負(fù)載情 況，前提是 PLC 系統(tǒng)內(nèi)的采樣 ADC 的速度足夠快，能 夠?qū)﹄娏鬟M(jìn)行采樣。

備選器件建議

LMP8480是適合這種應(yīng)用的另一種推薦器件。LMP8480 單向高側(cè)電流檢測(cè)放大器，可支持4V到76V的共模電壓。

LMP8480上的電源可高達(dá)76V，這樣就可以連接直接通 過(guò) 24V PLC 直流電源供電的電流檢測(cè)放大器 - 從而 需創(chuàng)建額外的低電壓電源。 

MP8480 還提供高達(dá) 5mA 的高輸出電流。該高輸出電流 有助于驅(qū)動(dòng)較長(zhǎng)的電容電纜，而不會(huì)影響信號(hào)完整性， 也不需要額外的輸出緩沖器

簡(jiǎn)化電池測(cè)試設(shè)備中的電壓和電流測(cè)量 在向客戶發(fā)貨之前，電池測(cè)試設(shè)備驗(yàn)證電池組的功能和性能。電池測(cè)試儀執(zhí)行三種主要的功能測(cè)試：

?   電池化成和分容。在組裝電池單元或電池組之后，每個(gè)單元必須經(jīng)歷至少一個(gè)完全受控的充電或放電循 環(huán)，以初始化該設(shè)備并將其轉(zhuǎn)換為正常工作的儲(chǔ)電 設(shè)備。

電池供應(yīng)商還使用這種方法對(duì)電池單元進(jìn)行分容，這是 根據(jù)目標(biāo)規(guī)格將電池分成不同性能組的過(guò)程。如需 更深入地了解電池初始化電路，請(qǐng)參閱雙向電池初始化系統(tǒng)電源板參考設(shè)計(jì)。

?   環(huán)路和特性測(cè)試。環(huán)路和特性測(cè)試是指通過(guò)重復(fù)充 電和放電序列來(lái)循環(huán)運(yùn)行電池或電池組。這可以驗(yàn) 證電池的特征壽命和可靠性參數(shù)是否處于規(guī)定的容 差范圍內(nèi)。

?   功能測(cè)試。功能測(cè)試驗(yàn)證電池組在發(fā)貨前是否正常 運(yùn)行，并確保每個(gè)電池和電池組正常工作。 

圖1：傳統(tǒng)電池測(cè)試設(shè)備方框圖

在典型系統(tǒng)中，降壓轉(zhuǎn)換器用作電池充電的電源，升壓 轉(zhuǎn)換器用于電池放電。傳統(tǒng)運(yùn)算放大器和儀表放大器 (INA) 都在反饋環(huán)路中 用于控制電壓和電流的充電和放電。

為了給電池充電，降壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)啟用，而第一級(jí)電壓運(yùn) 算放大器和電流檢測(cè) INA測(cè)量電池電壓和電池或電池 組的充電電流。這些經(jīng)調(diào)節(jié)的信號(hào)分別用作電壓回路或 電流回路的第二級(jí)誤差運(yùn)算放大器的輸入。

每個(gè)誤差運(yùn)算放大器的增益輸出用作第三級(jí)緩沖運(yùn)算放大器的輸入。緩沖運(yùn)算放大器的輸出饋送到降壓轉(zhuǎn)換器的反饋引腳中，以控制輸出電壓或電流。根據(jù)輸出電流要求，可以通過(guò)多 種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)降壓/升壓功能；不過(guò)有兩種方法是最常見(jiàn)的。 對(duì)于更高電流要求，您可以使用集成式充電控制器和外 部場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET)。但是，對(duì)于成本敏感型系統(tǒng)中 常見(jiàn)的低電流要求，您可以通過(guò)離散方式實(shí)現(xiàn)此功能， 如圖 2 所示。 

只需調(diào)整誤差運(yùn)算放大器正輸入引腳上的 V_{V_ref} 和 V_{I_ref}，即可將降壓轉(zhuǎn)換器的目標(biāo)輸出電壓和電流調(diào)整 到最佳值。在典型的電池充電應(yīng)用中，電流環(huán)路誤差運(yùn) 算放大器的輸出電壓開(kāi)始為高電平，使降壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)入恒流輸出模式。

圖2：電池測(cè)試設(shè)備典型放大器配置

在下一個(gè)相位中，電壓環(huán)路誤差放大器的 輸出電壓變高，從而使降壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)入恒壓輸出模式。電池放電時(shí)，禁用升壓轉(zhuǎn)換器。運(yùn)算 放大器控制電池放電電流和電壓，其工作原理與電池充 電時(shí)相同。升壓轉(zhuǎn)換器將電池電壓提升至 V_DC，該電壓 通常為12V。

典型的系統(tǒng)要求為：

經(jīng)調(diào)節(jié)的電流誤差ERR I_OUT=0.1%。

經(jīng)調(diào)節(jié)的電壓誤差 ERR V_OUT = 0.5%。

為了滿足這些要求，您需要一個(gè)具有低失調(diào)電壓 (V_{O S})、低 V_OS溫度漂移和高共模抑制比 (CMRR) 的運(yùn)算 放大器，如TLV07。 運(yùn)算放大器與功率級(jí)形成一個(gè)閉環(huán)。誤差運(yùn)算放大器的反相輸入端上的電壓將非常接近基準(zhǔn)電壓 V_{V_ref}和V_{I_ref}，從而最大限度地減小了大環(huán)路增益產(chǎn)生的誤差。由于主要誤差來(lái)自電壓和電流檢測(cè)放大器，因此選

例如，如果所需的經(jīng)調(diào)節(jié)的輸出電流目標(biāo)I_SET為10A，并且電流檢測(cè)電阻器RSENSE為20mΩ，則放大器的 輸入誤差如公式 1 所示： 

如果所需的經(jīng)調(diào)節(jié)的輸出電壓設(shè)置為V_SET4.2V，則放大器的輸入誤差如公式2所示：

假設(shè)溫度從 25°C 升至 85°C 且電池電壓為 4V，那么 您可以輕松計(jì)算低失調(diào)電壓和低失調(diào)電壓溫漂運(yùn)算放大 器（如 TLV07）產(chǎn)生的實(shí)際誤差，如公式 3 所示。 擇精密放大器非常重要。 在下一個(gè)示例中，我們使用的 INA 集成了所有反 饋電阻器，提供 V_{OS_max}= 150μV、dV_OS/dT_max=0.5μV/°C， 非常適合在具有簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中執(zhí)行電流分流放大 器功能。 如果系統(tǒng)需要更高的性能規(guī)格，則可以將電流和電壓 誤差分別更改為 0.05% 和 0.1%。在這種情況下，您 可以使用零漂移 INA188 等精密 INA。假設(shè)條件與第 一個(gè)示例相同，溫升為 60°C，V_BAT為 4V， 那么 INA188 的實(shí)際誤差為：

? V_{I_ERR_RTI}= 67μV。

? V_{V_ERR_RTI}≤4.2mV。

通過(guò)查看圖3，您可以看到是電流檢測(cè)電阻器導(dǎo)致了I +和I-貢獻(xiàn)。B+和B-分量來(lái)自電池的正負(fù)端子。由于實(shí)際的電池電壓可能高于 5V，因此典型的運(yùn)算放 大器電源為12V。

TLV07、INA188 和 INA125都具有 36V 的最大 (±18V) 電源電壓，符合系統(tǒng)要求。

由于在充電和放電周期中電池電流可能接近于零，因此 在第一級(jí)電流檢測(cè)運(yùn)算放大器中實(shí)現(xiàn)雙極電源可避免削 減電流檢測(cè)信號(hào)。會(huì)分別使用 R12、C3 和 C4 以及 R 6、C1 和 C2 對(duì)誤差運(yùn)算放大器的每個(gè)級(jí)應(yīng)用 III 型補(bǔ)償。為確保環(huán)路穩(wěn)定性，您應(yīng)根據(jù)實(shí)際電源設(shè)計(jì)對(duì)這些值進(jìn)行微調(diào)。

圖 3：高端應(yīng)用中采用TLV07和INA188的電壓和電流檢測(cè)電路

電壓和電流檢測(cè)是電池測(cè)試設(shè)備系統(tǒng)中最重要的兩項(xiàng)測(cè)量。該應(yīng)用最重要的器件規(guī)格是具有低失調(diào)電壓和漂移的器件。 這些參數(shù)對(duì)于確保高性能檢測(cè)而言至關(guān)重要，同時(shí)最大限度地減少了對(duì)系統(tǒng)誤差的第一級(jí)貢獻(xiàn)。