精準、低功耗的遠程檢測理念

這里展示的遠程檢測實(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定通信和最低限度的電池維護的工業(yè)環(huán)境。本解決方案結合了近年來(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(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò )功能。支持實(shí)現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），以及由檸檬內部物質(zhì)形成的電解質(zhì)組合而成的電池供電。

無(wú)線(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò )

工業(yè)環(huán)境中通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )實(shí)施和檢索的測量很少需要高速度，但它們通常需要高可靠性和安全性，此外還需要低功耗運行，以最大限度地延長(cháng)電池的運行時(shí)間。LTP5901-IPM在802.15.4e無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中形成一個(gè)節點(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)內置ARM? Cortex?-M3 32位微處理器，可以通過(guò)簡(jiǎn)單編程實(shí)施檢測。采用這個(gè)終端是為了實(shí)現安全性、可靠性、低功耗、靈活性以及可編程性。

四種檢測應用

總的來(lái)說(shuō)，以下這些電路設計并不需要高深的火箭知識。但是，它們整潔、高效，是針對特定應用定制的。這些設計不需要多復雜，事實(shí)上，復雜的設計只會(huì )增加成本和可靠性風(fēng)險。

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

圖1.簡(jiǎn)單的電池電壓檢測。

圖1展示了一種典型的同相整體增益負反饋運算放大器配置，可以檢測分壓。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(cháng)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的零漂移優(yōu)勢。

電流檢測

圖2.電流檢測電路。

電池供電和隔離電子設備的出色之處在于：它可以在任何位置設置接地。在最方便的電路拓撲結構中，我們可以在不喪失通用性的情況下檢測電流，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，人們可以使用傳統的低側拓撲結構來(lái)安全檢測與本地接地相關(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)生檢測電壓。因為放大器的零漂移、極低的失調電壓性能等原因，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 )起到穩定作用。

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

輻照度計

圖3.利用太陽(yáng)能電池進(jìn)行短路輻照度測量。

圖2所示的電路也可以用來(lái)測量太陽(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(xiàn)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(méi)有保證太陽(yáng)能電池在最大電流時(shí)準確達到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(xiàn)上實(shí)際就是短路。

我們可以以互阻放大器(TIA)作為替代。TIA可以強制讓太陽(yáng)能電池達到0 V，并測量電流。這種電路存在的問(wèn)題在于，在整個(gè)輻照度范圍內，都是由運算放大器為太陽(yáng)能電池提供電流。如果對于遠程檢測電路，最重要的是最小化功耗，那么由運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，應使用一個(gè)小型檢測電阻。對位置遙遠、由電池供電的小電壓實(shí)施檢測再次表明，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(lèi)物理布局，即需要實(shí)施零溫度漂移測量的無(wú)線(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò )。幸運的是，在短路條件下，硅光電二極管隨著(zhù)溫度的變化相對穩定。對于環(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，所構成的簡(jiǎn)單且可靠的設計是非常理想的解決方案。

采用熱電偶測量溫度

圖4.熱電偶檢測電路。

熱電偶電壓可以是正壓也可以是負壓。圖4所示的電路融合采用微功率基準電壓源和微功率放大器來(lái)檢測極小的正負電壓。幸運的是，如果熱電偶與被測器件(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基準電壓源的小熱電偶電壓的高增益版本。對于這種配置，0 V至1.8 V的ADC范圍相當合理。如果不使用零漂移、低失調放大器，則無(wú)法實(shí)現2000 V/V左右的極高增益。

結論

極低功耗、精準的遠程檢測絕對是可行的。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無(wú)線(xiàn)Mesh節點(diǎn)相結合是相當簡(jiǎn)單的。

作者簡(jiǎn)介

Aaron Schultz是LPS業(yè)務(wù)部的應用工程經(jīng)理。他曾在設計和應用系統工程領(lǐng)域擔任多個(gè)職務(wù)，接觸過(guò)眾多主題，包括電池管理、光伏、可調光LED驅動(dòng)電路、低電壓和高電流DC-DC轉換、高速光纖通信、高級DDR3存儲器研發(fā)、定制工具開(kāi)發(fā)、驗證、基本模擬電路等，他職業(yè)生涯的一半貢獻給了功率轉換領(lǐng)域。他1993年畢業(yè)于美國卡內基梅隆大學(xué)，1995年畢業(yè)于MIT。晚上，他喜歡彈爵士鋼琴樂(lè )。聯(lián)系方式：aaron.schultz@analog.com。