精準(zhǔn)、低功耗的遠(yuǎn)程檢測(cè)理念

Aaron Schultz ADI公司

這里展示的遠(yuǎn)程檢測(cè)實(shí)例具有高可靠性、易連通性和超低功耗的特性。這些電路主要面向需要穩(wěn)定通信和最低限度的電池維護(hù)的工業(yè)環(huán)境。本解決方案結(jié)合了近年來(lái)低功耗、高精度放大方面的研究進(jìn)展，兼具同等的低功耗、高可靠性無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)功能。支持實(shí)現(xiàn)這些解決方案的是零漂移、低輸入偏置放大器LTC2063和LTP5901-IPM，前者最高以2 μA電流運(yùn)行，后者在睡眠模式下消耗電流不到1.5 μA。這些器件的功耗足夠低，可以采用一塊由銅和鋅電極（每個(gè)四平方英寸），以及由檸檬內(nèi)部物質(zhì)形成的電解質(zhì)組合而成的電池供電。

無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)

工業(yè)環(huán)境中通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)施和檢索的測(cè)量很少需要高速度，但它們通常需要高可靠性和安全性，此外還需要低功耗運(yùn)行，以最大限度地延長(zhǎng)電池的運(yùn)行時(shí)間。LTP5901-IPM在802.15.4e無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中形成一個(gè)節(jié)點(diǎn)或者一個(gè)SmartMesh? IP Mote。LTP5901-IPM集成了一個(gè)10位、0 V至1.8 V ADC，以及一個(gè)內(nèi)置ARM? Cortex?-M332位微處理器，可以通過(guò)簡(jiǎn)單編程實(shí)施檢測(cè)。采用這個(gè)終端是為了實(shí)現(xiàn)安全性、可靠性、低功耗、靈活性以及可編程性。

四種檢測(cè)應(yīng)用

總的來(lái)說(shuō)，以下這些電路設(shè)計(jì)并不需要高深的火箭知識(shí)。但是，它們整潔、高效，是針對(duì)特定應(yīng)用定制的。這些設(shè)計(jì)不需要多復(fù)雜，事實(shí)上，復(fù)雜的設(shè)計(jì)只會(huì)增加成本和可靠性風(fēng)險(xiǎn)。每個(gè)電路的輸入中都包含一個(gè)傳感器，通過(guò)處理傳感器輸出來(lái)產(chǎn)生輸出電壓。使用LTP5901-IPM 10位ADC作為輸入，每個(gè)電路都試圖映射輸入，覆蓋0 V至1.8 V之間的大部分范圍。

基本的電池電壓檢測(cè)

圖1展示了一種典型的同相整體增益負(fù)反饋運(yùn)算放大器配置，可以檢測(cè)分壓。LTP5901輸入的ADC范圍為0 V至1.8 V。R1和R2以最小的靜態(tài)電流降低電池電壓，以延長(zhǎng)電池壽命。LTC2063的輸入偏置電流非常低，即使這些高電阻值也不會(huì)影響最終的10位ADC的精度。LTC2063消耗最小的電源電流，提供隨時(shí)間和溫度變化而呈現(xiàn)的零漂移優(yōu)勢(shì)。

電流檢測(cè)

電池供電和隔離電子設(shè)備的出色之處在于：它可以在任何位置設(shè)置接地。在最方便的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，我們可以在不喪失通用性的情況下檢測(cè)電流，同時(shí)將終端放置在與本地接地相關(guān)的任何位置。對(duì)于單極電流，例如4 mA至20 mA的工業(yè)環(huán)路，人們可以使用傳統(tǒng)的低側(cè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)安全檢測(cè)與本地接地相關(guān)的電流。圖2展示的是電流流過(guò)一個(gè)非常小的電阻R2，由此產(chǎn)生檢測(cè)電壓。因?yàn)榉糯笃鞯牧闫?、極低的失調(diào)電壓性能等原因，這個(gè)輸入電壓可能非常小。電路所示經(jīng)由501 mΩ檢測(cè)電阻產(chǎn)生的輸入的增益增高101 V/V。在20 mA時(shí)，VOUT是1.012 V?？梢赃x擇其他值來(lái)最大程度地使用ADC的1.8 V范圍。

電阻R4相對(duì)較低，是LTC2063輸入電容的低阻抗分流器。因此，較大的R1反饋電阻與輸入電容之間的相互作用不會(huì)起到穩(wěn)定作用。

構(gòu)建的電路經(jīng)過(guò)優(yōu)化之后，用于測(cè)試0 mA至35 mA電流、0 V至1.8 V ADC的映射范圍。

輻照度計(jì)

圖2所示的電路也可以用來(lái)測(cè)量太陽(yáng)能電池的短路電流。在短路電流模式下，硅和其他太陽(yáng)能電池的電流與輻照度呈高度線性關(guān)系。短路電流是0 V太陽(yáng)能電池的電流。圖3中的電路并沒有保證太陽(yáng)能電池在最大電流時(shí)準(zhǔn)確達(dá)到0 V；但是，即使在全日光下為20 mA，電壓也僅為10 mV。太陽(yáng)能電池上的10 mV電平在其I-V曲線上實(shí)際就是短路。

我們可以以互阻放大器(TIA)作為替代。TIA可以強(qiáng)制讓太陽(yáng)能電池達(dá)到0 V，并測(cè)量電流。這種電路存在的問題在于，在整個(gè)輻照度范圍內(nèi)，都是由運(yùn)算放大器為太陽(yáng)能電池提供電流。如果對(duì)于遠(yuǎn)程檢測(cè)電路，最重要的是最小化功耗，那么由運(yùn)算放大器為電池提供20 mA是不可行的。

考慮到需要保持近0 V，應(yīng)使用一個(gè)小型檢測(cè)電阻。對(duì)位置遙遠(yuǎn)、由電池供電的小電壓實(shí)施檢測(cè)再次表明，需要采用高精度、低功耗的功率放大器，例如LTC2063。

太陽(yáng)能裝置所需的就是這類物理布局，即需要實(shí)施零溫度漂移測(cè)量的無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)。幸運(yùn)的是，在短路條件下，硅光電二極管隨著溫度的變化相對(duì)穩(wěn)定。對(duì)于環(huán)境溫度不斷變化的大型安裝場(chǎng)地而言，采用LTC2063和LTP5901-IPM，再加上硅太陽(yáng)能電池，所構(gòu)成的簡(jiǎn)單且可靠的設(shè)計(jì)是非常理想的解決方案。

采用熱電偶測(cè)量溫度

熱電偶電壓可以是正壓也可以是負(fù)壓。圖4所示的電路融合采

用微功率基準(zhǔn)電壓源和微功率放大器來(lái)檢測(cè)極小的正負(fù)電壓。幸運(yùn)的是，如果熱電偶與被測(cè)器件(DUT)電氣隔離，則可以置于任何方便的電壓域中。圖4中的示例使用LT6656-1.25，在1.25 V時(shí)偏置熱電偶。電路輸出是基于1.25 V基準(zhǔn)電壓源的小熱電偶電壓的高增益版本。對(duì)于這種配置，0 V至1.8 V的ADC范圍相當(dāng)合理。如果不使用零漂移、低失調(diào)放大器，則無(wú)法實(shí)現(xiàn)2000 V/V左右的極高增益。

結(jié)論

極低功耗、精準(zhǔn)的遠(yuǎn)程檢測(cè)絕對(duì)是可行的。本文的示例顯示，將低功耗、高精度放大器與可編程片上系統(tǒng)無(wú)線Mesh節(jié)點(diǎn)相結(jié)合是相當(dāng)簡(jiǎn)單的。

作者簡(jiǎn)介

Aaron Schultz是LPS業(yè)務(wù)部的應(yīng)用工程經(jīng)理。他曾在設(shè)計(jì)和應(yīng)用系統(tǒng)工程領(lǐng)域擔(dān)任多個(gè)職務(wù)，接觸過(guò)眾多主題，包括電池管理、光伏、可調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)電路、低電壓和高電流DC-DC轉(zhuǎn)換、高速光纖通信、高級(jí)DDR3存儲(chǔ)器研發(fā)、定制工具開發(fā)、驗(yàn)證、基本模擬電路等，他職業(yè)生涯的一半貢獻(xiàn)給了功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域。他1993年畢業(yè)于美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)，1995年畢業(yè)于MIT。晚上，他喜歡彈爵士鋼琴樂。聯(lián)系方式：aaron.schultz@analog.com。