高可靠性系統(tǒng)中電流檢測(cè)的實(shí)際考慮

摘要：電流檢測(cè)最簡(jiǎn)單的方法是依據(jù)歐姆定律：電阻兩端的壓降和流過(guò)電阻的電流成正比。本文討論了基于電阻的電流檢測(cè)在實(shí)際設(shè)計(jì)中的問(wèn)題，列舉了一些典型實(shí)例，如：電流保護(hù)、熱插拔控制、電量測(cè)量及故障保護(hù)。

高邊電流檢測(cè)的基本原理

基于電阻的電流檢測(cè)比較簡(jiǎn)單，易于使用而且成本較低，這種方法可以提供極高的線(xiàn)性度，無(wú)需校準(zhǔn)。根據(jù)歐姆定律：電阻電壓與流過(guò)電阻的電流成正比：V = IR。但是，當(dāng)電流流過(guò)電阻時(shí)，所有的電阻都有功率損耗，損耗功率轉(zhuǎn)換成熱量還會(huì)影響電阻值。因此，必須仔細(xì)評(píng)估檢測(cè)電阻的功率損耗。

檢流電阻較大時(shí)精度較高，但功率損耗也更大：



其中I為檢測(cè)電流，R為檢測(cè)電阻。檢測(cè)電流的幅值由實(shí)際應(yīng)用決定，而非設(shè)計(jì)參數(shù)。因此，檢測(cè)電阻值必須盡可能小，以降低熱量。

選擇較小的檢流電阻，相應(yīng)地檢測(cè)電壓也會(huì)減小。需要借助放大器將其放大到能與比較器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)或其它外部電路連接相一致的電壓值。此外較小的檢測(cè)電壓容易受測(cè)量誤差的影響，包括內(nèi)部偏置電流、放大器輸入失調(diào)電壓等。比如：實(shí)際應(yīng)用中，檢測(cè)電壓的整個(gè)范圍為50mV到200mV。如果放大器的最大輸入失調(diào)電壓為±5mV，則在50mV (滿(mǎn)量程)情況下對(duì)應(yīng)的測(cè)量誤差達(dá)到±10%，而且對(duì)于電流更小的情況還會(huì)更糟。


圖1. 根據(jù)歐姆定律測(cè)量電流的高邊電流檢測(cè)器

電流檢測(cè)放大器要求具有低輸入失調(diào)電壓和低輸入偏置電流。專(zhuān)用的電流檢測(cè)放大器(圖1)在電源(比如電池)和負(fù)載之間放置檢流電阻，這種方法避免了地層較大電阻的影響，大大簡(jiǎn)化了布板過(guò)程并提高了整個(gè)電路的性能。流過(guò)檢流電阻(RSENSE)的電流在電阻兩端產(chǎn)生壓降，由運(yùn)算放大器檢測(cè)后并驅(qū)動(dòng)MOSFET管吸收電流，電流流過(guò)電阻R，R上的壓降等于檢測(cè)電阻兩端的電壓：



因此：



檢測(cè)器輸出電流與負(fù)載電流成正比，一般而言，可以通過(guò)鏡像電流乘以一個(gè)系數(shù)K來(lái)提高輸出電流。如果需要電壓輸出，在電流輸出和地之間加上輸出電阻(RO)即可將電流轉(zhuǎn)換為電壓。電阻R和RO可很容易地在生產(chǎn)中調(diào)理，達(dá)到優(yōu)于1%的精度。

電流監(jiān)測(cè)器及保護(hù)電路

高可靠性供電電路通常具有短路或過(guò)載保護(hù)(圖2a)，圖中所示IC (MAX4373電流檢測(cè)器)集成了基準(zhǔn)源、比較器和鎖存器，R1、R2用于設(shè)置電流門(mén)限。比較器將電流檢測(cè)器的輸出電壓與基準(zhǔn)電壓相比較。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到所允許的最大值時(shí)，比較器輸出鎖定為邏輯高，將p溝道MOSFET關(guān)斷，斷開(kāi)流入負(fù)載的電流。產(chǎn)生復(fù)位或重新上電之前，p溝道MOSFET將始終保持關(guān)斷狀態(tài)。


圖2a. IC檢測(cè)到過(guò)載時(shí)，短路保護(hù)電路將關(guān)閉p溝道MOSFET并斷開(kāi)負(fù)載。

電池充電器及其它應(yīng)用中，必須防護(hù)短路時(shí)的過(guò)流以及開(kāi)路時(shí)的欠流情況。出于這一考慮，我們?cè)O(shè)計(jì)了圖2b，圖中電流窗檢測(cè)器與圖2a電路相似，但多了一個(gè)用于監(jiān)測(cè)欠流情況的比較器。兩個(gè)比較器為漏極開(kāi)路輸出，可以連接到一起，也可以單獨(dú)輸出。當(dāng)檢測(cè)電流超出規(guī)定范圍時(shí)，IC將向系統(tǒng)發(fā)出故障報(bào)警。


圖2b. 電流窗檢測(cè)電路(包括R1-R4，比較器和基準(zhǔn)源)，檢測(cè)開(kāi)路/短路故障。

熱插拔控制器

熱插拔控制器是專(zhuān)用的一種電流檢測(cè)器，用于系統(tǒng)板卡，如：服務(wù)器中的I/O卡。允許系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中帶電插、拔板卡，而不會(huì)中斷系統(tǒng)運(yùn)行。如果沒(méi)有熱插拔控制器，帶電插拔操作將會(huì)造成系統(tǒng)電源短路，中止系統(tǒng)工作。并且，沒(méi)有熱插拔控制器時(shí)，帶電插入板卡很容易造成電容的迅速充電，所產(chǎn)生的浪涌電流會(huì)使系統(tǒng)電源電壓被瞬間拉低。

熱插拔控制器(圖3)可以有效解決上述問(wèn)題，具有軟啟動(dòng)功能，可以將浪涌電流降到安全范圍內(nèi)。系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)(過(guò)載或短路)，熱插拔控制器能夠斷開(kāi)板卡與系統(tǒng)其它電路的連接。


圖3. MAX5933熱插拔控制器保護(hù)電源總線(xiàn)不受浪涌電流及短路故障的影響

作為一個(gè)應(yīng)用實(shí)例，MAX5933A系列熱插拔控制器允許帶電主板上插、拔電路板卡，不會(huì)對(duì)主板電源造成干擾。啟動(dòng)過(guò)程中，控制器相當(dāng)于電流調(diào)節(jié)器，通過(guò)外部檢流電阻和MOSFET限制流入負(fù)載的電流。內(nèi)部電路環(huán)慢增大監(jiān)測(cè)電流，可避免較大的浪涌電流。

檢流電阻還設(shè)置了電流限，如果FB輸入檢測(cè)到短路故障，IC會(huì)降低電流限，減小3.9倍。比如，選擇檢流電阻為25mΩ，標(biāo)準(zhǔn)工作模式下電流門(mén)限設(shè)置為1.88A，出現(xiàn)短路時(shí)，門(mén)限會(huì)降到480mA。熱插拔控制器一般都包含定時(shí)器，如果在指定時(shí)間內(nèi)電流沒(méi)有降低，則斷開(kāi)MOSFET，保護(hù)電源總線(xiàn)。熱插拔控制器還具有其它諸多功能，如：欠壓保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)等。

電量測(cè)量和電池管理

圖1所示電流檢測(cè)放大器是一款非常簡(jiǎn)單、通用的器件。電量計(jì)、電池管理等特殊應(yīng)用需要集成更多的功能，如圖4所示。電量計(jì)在電池供電產(chǎn)品中應(yīng)用很普遍，通過(guò)精確監(jiān)視電池容量可以?xún)?yōu)化系統(tǒng)性能，延長(zhǎng)電池的使用壽命。


圖4. 電量計(jì)，如MAX1660，通過(guò)監(jiān)視流入/流出電池包的電荷，跟蹤充電/放電電流。

膝上型電腦的電池包一般集成有一個(gè)智能電量計(jì)，用于監(jiān)視、監(jiān)控電池的充電和放電過(guò)程。這種電量計(jì)帶有一個(gè)數(shù)字庫(kù)侖計(jì)數(shù)器，跟蹤累計(jì)充電、放電電量。對(duì)于一個(gè)特定電池，當(dāng)其接受了一定電量時(shí)認(rèn)為其充滿(mǎn)電(以庫(kù)倫量表示)；當(dāng)從電池取走一定的電量時(shí)，則認(rèn)為其電量釋放完畢(完全放電)。電流對(duì)時(shí)間的積分等于總電荷量，利用檢流放大器測(cè)量電池電流，庫(kù)侖計(jì)數(shù)器充當(dāng)積分器，計(jì)算充電、放電過(guò)程的總電量。

電量計(jì)中的電流檢測(cè)器要求能夠測(cè)量雙向電流，為電池包充電時(shí)，最大電量由用戶(hù)設(shè)置。庫(kù)倫計(jì)數(shù)器達(dá)到所設(shè)置的門(mén)限時(shí)，認(rèn)為電池已充滿(mǎn)，通知微控制器終止充電。同樣，放電過(guò)程中，電量計(jì)為用戶(hù)指示剩余電量的信息。當(dāng)庫(kù)倫計(jì)數(shù)器達(dá)到器最小值門(mén)限時(shí)，通知微控制器電池電量已空，可避免電池過(guò)度放電。這樣，庫(kù)侖計(jì)數(shù)器可防止電池出現(xiàn)過(guò)充電和過(guò)放電，從而延長(zhǎng)電池的有效使用周期。

電流檢測(cè)器還通過(guò)連續(xù)監(jiān)視電流防止過(guò)載和短路，出現(xiàn)短路時(shí)立即關(guān)閉MOSFET，斷開(kāi)電池的連接。

動(dòng)態(tài)供電控制

為了降低電池功耗、延長(zhǎng)電池的通話(huà)時(shí)間，手機(jī)中的功率放大器(PA)需要精確控制其電源電流。手機(jī)位置距離基站較近時(shí)，不需要大的發(fā)射功率，可以降低PA的電源電流并仍可保持良好的信號(hào)傳輸；當(dāng)手機(jī)位置距離基站較遠(yuǎn)時(shí)，發(fā)送器需要較高的輸出功率和較大的電源電流。根據(jù)實(shí)際需求動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)PA的電源電流可降低功耗，延長(zhǎng)通話(huà)時(shí)間。

與圖1類(lèi)似，MAX4473 PA電流控制器(圖5)集成了一個(gè)誤差放大器和閉環(huán)控制電路，工作原理類(lèi)似于電流源。誤差放大器(A3)比較、檢測(cè)電阻RSENSE和RG1的電壓，并將其輸出送入功率放大器的增益控制(GC)環(huán)路，通過(guò)增大、減小PA的增益和輸出功率調(diào)節(jié)電源電流。電壓-電流轉(zhuǎn)換器由A2、Q1組成，RG3控制RG1的壓降，用戶(hù)還可以通過(guò)PC輸入控制PA的電源電流：




圖5. 電流控制器(MAX4473)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電源電流，在保持良好的信號(hào)完整性的同時(shí)使功耗降至最小。

先進(jìn)功率檢測(cè)

筆記本電腦的電池電壓隨著電池放電而改變，因此，監(jiān)視功率要比監(jiān)視電流更安全，效果更好。功率監(jiān)視器包括電流檢測(cè)電路(電壓輸出)和一個(gè)模擬乘法器。高邊電流檢測(cè)器提供與負(fù)載電流成正比的輸出電壓，該電壓與負(fù)載電壓相乘，可以獲得與負(fù)載功率成正比的輸出電壓。

MAX4210功率檢測(cè)IC是針對(duì)筆記本電腦電池監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)的，其共模電壓范圍(4V至28V)能夠滿(mǎn)足各種電池的電壓要求。為了檢測(cè)電流，需要在電源(電池)與負(fù)載之間插入一個(gè)檢流電阻。檢流放大器將與負(fù)載電流成正比的電壓送入模擬乘法器的一個(gè)輸入端，另一個(gè)乘法器的輸入連接到負(fù)載電壓的分壓網(wǎng)絡(luò)(由于模擬乘法器的輸入范圍有限，1.1V，必須降低輸出電壓的幅度。) 最終產(chǎn)生與負(fù)載功率成正比的輸出。

圖6所示固態(tài)功率檢測(cè)器能夠?yàn)殡姵靥峁┯行ПＷo(hù)，避免電池在出現(xiàn)短路或功率過(guò)大時(shí)損壞。當(dāng)MAX4211檢測(cè)到故障狀態(tài)時(shí)，將斷開(kāi)p溝道MOSFET (M1)，按下復(fù)位按鈕或在CIN2-輸入施加一個(gè)高電平，或重新上電，可以解除MOSFET的關(guān)閉狀態(tài)。比較器(R3-R4-C1)外接一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)，以避免上電過(guò)程中由于電壓的瞬態(tài)變化而導(dǎo)致錯(cuò)誤的故障檢測(cè)。


圖6. 固態(tài)功率檢測(cè)器在系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)大功率時(shí)斷開(kāi)負(fù)載。按下復(fù)位鍵或在CIN2-輸入施加一個(gè)高電平，將斷路器復(fù)位。如果上電過(guò)程中出現(xiàn)瞬態(tài)電壓，INHIBIT輸入臨時(shí)將比較器的COUT1屏蔽掉，防止誤報(bào)警。

結(jié)論

基于歐姆定律的電流檢測(cè)器可以廣泛用于電源保護(hù)、電池電量監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)供電控制等應(yīng)用。新型IC集成了實(shí)現(xiàn)低成本、高性能、全硅電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的絕大多數(shù)元件。經(jīng)過(guò)工廠(chǎng)調(diào)理的IC能夠達(dá)到1%的測(cè)量精度，可有效改善系統(tǒng)的性能指標(biāo)，提供系統(tǒng)的可靠性和安全性。