高可靠性系統中電流檢測的實(shí)際考慮

高邊電流檢測的基本原理

基于電阻的電流檢測比較簡(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。根據歐姆定律：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，損耗功率轉換成熱量還會(huì )影響電阻值。因此，必須仔細評估檢測電阻的功率損耗。

檢流電阻較大時(shí)精度較高，但功率損耗也更大：

其中I為檢測電流，R為檢測電阻。檢測電流的幅值由實(shí)際應用決定，而非設計參數。因此，檢測電阻值必須盡可能小，以降低熱量。

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

圖1. 根據歐姆定律測量電流的高邊電流檢測器。　

電流檢測放大器要求具有低輸入失調電壓和低輸入偏置電流。專(zhuān)用的電流檢測放大器(圖1)在電源(比如電池)和負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(R_SENSE)的電流在電阻兩端產(chǎn)生壓降，由運算放大器 target=_blank>運算放大器檢測后并驅動(dòng)MOSFET管吸收電流，電流流過(guò)電阻R，R上的壓降等于檢測電阻兩端的電壓：

因此：

檢測器輸出電流與負載電流成正比，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(R_O)即可將電流轉換為電壓。電阻R和R_O可很容易地在生產(chǎn)中調理，達到優(yōu)于1%的精度。

電流保護電路

高可靠性供電電路通常具有短路或過(guò)載保護(圖2a)，圖中所示IC (MAX4373電流檢測器)集成了基準源、比較器和鎖存器，R1、R2用于設置電流門(mén)限。比較器將電流檢測器的輸出電壓與基準電壓相比較。當負載電流達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)流入負載的電流。產(chǎn)生復位或重新上電之前，p溝道MOSFET將始終保持關(guān)斷狀態(tài)。

圖2a. IC檢測到過(guò)載時(shí)，短路保護電路將關(guān)閉P溝道MOSFET并斷開(kāi)負載。

電池充電器及其它應用中，必須防護短路時(shí)的過(guò)流以及開(kāi)路時(shí)的欠流情況。出于這一考慮，我們設計了圖2b，圖中電流窗檢測器與圖2a電路相似，但多了一個(gè)用于監測欠流情況的比較器。兩個(gè)比較器為漏極開(kāi)路輸出，可以連接到一起，也可以單獨輸出。當檢測電流超出規定范圍時(shí)，IC將向系統發(fā)出故障報警。

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

熱插拔控制器

熱插拔控制器是專(zhuān)用的一種電流檢測器，用于系統板卡，如：服務(wù)器中的I/O卡。允許系統運行過(guò)程中帶電插、拔板卡，而不會(huì )中斷系統運行。如果沒(méi)有熱插拔控制器，帶電插拔操作將會(huì )造成系統電源短路，中止系統工作。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。系統發(fā)生故障時(shí)(過(guò)載或短路)，熱插拔控制器能夠斷開(kāi)板卡與系統其它電路的連接。

圖3. MAX5933熱插拔控制器保護電源總線(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 )對主板電源造成干擾。啟動(dòng)過(guò)程中，控制器相當于電流調節器，通過(guò)外部檢流電阻和MOSFET限制流入負載的電流。內部電路環(huán)慢增大監測電流，可避免較大的浪涌電流。 檢流電阻還設置了電流限，如果FB輸入檢測到短路故障，IC會(huì )降低電流限，減小3.9倍。比如，選擇檢流電阻為25m，標準工作模式下電流門(mén)限設置為1.88A，出現短路時(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)間內電流沒(méi)有降低，則斷開(kāi)MOSFET，保護電源總線(xiàn)。熱插拔控制器還具有其它諸多功能，如：欠壓保護、過(guò)壓保護、過(guò)熱保護等。

電量測量和電池管理

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

圖4. 電量計，如MAX1660，通過(guò)監視流入/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，用于監視、監控電池的充電和放電過(guò)程。這種電量計帶有一個(gè)數字庫侖計數器，跟蹤累計充電、放電電量。對于一個(gè)特定電池，當其接受了一定電量時(shí)認為其充滿(mǎn)電(以庫倫量表示)；當從電池取走一定的電量時(shí)，則認為其電量釋放完畢(完全放電)。電流對時(shí)間的積分等于總電荷量，利用檢流放大器測量電池電流，庫侖計數器充當積分器，計算充電、放電過(guò)程的總電量。

電量計中的電流檢測器要求能夠測量雙向電流，為電池包充電時(shí)，最大電量由用戶(hù)設置。庫倫計數器達到所設置的門(mén)限時(shí)，認為電池已充滿(mǎn)，通知微控制器終止充電。同樣，放電過(guò)程中，電量計為用戶(hù)指示剩余電量的信息。當庫倫計數器達到器最小值門(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，庫侖計數器可防止電池出現過(guò)充電和過(guò)放電，從而延長(cháng)電池的有效使用周期。

電流檢測器還通過(guò)連續監視電流防止過(guò)載和短路，出現短路時(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(cháng)電池的通話(huà)時(shí)間，手機中的功率放大器(PA)需要精確控制其電源電流。手機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傳輸；當手機位置距離基站較遠時(shí)，發(fā)送器需要較高的輸出功率和較大的電源電流。根據實(shí)際需求動(dòng)態(tài)調節PA的電源電流可降低功耗，延長(cháng)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、檢測電阻R_SENSE和R_G1的電壓，并將其輸出送入功率放大器的增益控制環(huán)路，通過(guò)增大、減小PA的增益和輸出功率調節電源電流。電壓-電流轉換器由A2、Q1組成，R_G3控制R_G1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)調節電源電流，在保持良好的信號完整性的同時(shí)使功耗降至最小。

先進(jìn)功率檢測

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

MAX4210功率檢測IC是針對筆記本電腦電池監測設計的，其共模電壓范圍(4V至28V)能夠滿(mǎn)足各種電池的電壓要求。為了檢測電流，需要在電源(電池)與負載之間插入一個(gè)檢流電阻。檢流放大器將與負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)生與負載功率成正比的輸出。

圖6所示固態(tài)功率檢測器能夠為電池提供有效保護，避免電池在出現短路或功率過(guò)大時(shí)損壞。當MAX4211檢測到故障狀態(tài)時(shí)，將斷開(kāi)p溝道MOSFET (M1)，按下復位按鈕或在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)變化而導致錯誤的故障檢測。

圖6. 固態(tài)功率檢測器在系統出現過(guò)大功率時(shí)斷開(kāi)負載。按下復位鍵或在CIN2-輸入施加一個(gè)高電平，將斷路器復位。如果上電過(guò)程中出現瞬態(tài)電壓，INHIBIT輸入臨時(shí)將比較器的COUT1屏蔽掉，防止誤報警。

結論

基于歐姆定律的電流檢測器可以廣泛用于電源保護、電池電量監測、動(dòng)態(tài)供電控制等應用。新型IC集成了實(shí)現低成本、高性能、全硅電流監測系統的絕大多數元件。經(jīng)過(guò)工廠(chǎng)調理的IC能夠達到1%的測量精度，可有效改善系統的性能指標，提供系統的可靠性和安全性。