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使用毫微功耗運算放大器實現(xiàn)電流感應(yīng)

發(fā)布時間:2018-07-03 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】設(shè)計者通過將一個非常小的“分流”電阻串聯(lián)在負(fù)載上,在兩者之間設(shè)置一個電流感應(yīng)放大器或運算放大器,實現(xiàn)用于系統(tǒng)保護(hù)和監(jiān)測的電流感應(yīng)。雖然專用的電流感應(yīng)放大器能夠發(fā)揮十分出色的電流感應(yīng)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。

電流感應(yīng)

設(shè)計者通過將一個非常小的“分流”電阻串聯(lián)在負(fù)載上,在兩者之間設(shè)置一個電流感應(yīng)放大器或運算放大器,實現(xiàn)用于系統(tǒng)保護(hù)和監(jiān)測的電流感應(yīng)。雖然專用的電流感應(yīng)放大器能夠發(fā)揮十分出色的電流感應(yīng)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(jù)負(fù)載放置分流電阻:負(fù)載與電源之間(圖1),或者負(fù)載與接地之間(圖2)。
 
 
圖1:高側(cè)電流感應(yīng)
 
 
圖2:低側(cè)電流感應(yīng)
 
在這兩種情況下,為了利用已知阻值的電阻來感應(yīng)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(jù)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(fù)載的負(fù)極在低側(cè)感應(yīng)時盡可能靠近接地,或者在高側(cè)感應(yīng)時盡可能靠近電源。
 
保持低功耗。從公式2可以看出,由于你要測量的是電流,因此它是一個自變量,所以電阻應(yīng)盡可能小:
 
 
這里要說明一點:由于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(shù)廣泛應(yīng)用于移動電源、手機(jī)等終端設(shè)備的電池充電和監(jiān)測,也可以用于保證工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的正常運行。
 
那么在選擇電阻值時,可以壓到多低呢?簡單地說,電阻兩端的壓降應(yīng)當(dāng)大于你所用運算放大器的偏移電壓。
 
示例
 
假設(shè)你要進(jìn)行低側(cè)差動電流測量(圖3),以確保系統(tǒng)中不存在短路和開路。為了簡易起見,本示例選用簡單的數(shù)字,忽略諸如電阻容差之類的參數(shù)。
 
 
圖3:低側(cè)差動電流測量
 
電源電壓為3.3V。在正確操作的情況下,系統(tǒng)得出最大電流值為10mA;你不想要有效接地,使負(fù)載高于100µV。你首先要明白一點,分流電阻的壓降(由于電流)必須小于或等于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。由于系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時,負(fù)載電流在其典型值±10%范圍內(nèi)。當(dāng)電流變化至少10%時,運算放大器就可以檢測出感應(yīng)電阻兩端的電壓變化。
 
如果存在故障(如:開路,低電流導(dǎo)致的欠壓,高電流導(dǎo)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(shù)可實現(xiàn)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,你可以讓它一直處于開啟狀態(tài),持續(xù)準(zhǔn)確地感測電流,對系統(tǒng)功率預(yù)算的影響很小。
 
感謝閱讀“如何以毫微功耗運算放大器實現(xiàn)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(guān)于在直流增益和低側(cè)電流傳感應(yīng)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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