通信基礎設施設備中的電流感測應用

本文從電流檢測 (CS) 的角度重新分析了蜂窩無(wú)線(xiàn)基礎設施 (WI) 中的主要電子終端設備。另外還探討了此類(lèi)設備中的幾種 CS 應用。

電源塊中的電流檢測

如圖 1 所示，WI 設備的電源來(lái)自于公用電網(wǎng)或太陽(yáng)能，有時(shí)還會(huì )將兩者結合使用。電源通常都依賴(lài)電池儲能系統，以便在斷電期間能夠不間斷地提供服務(wù)，尤其是在偏遠地區。由于物理上的可達性或經(jīng)濟上的可行性，這些地區無(wú)法僅依靠電網(wǎng)電力。

圖 1. WI 電源方框圖

電源塊可以集成到 WI 終端設備中，也可以是獨立模塊。不管具體的實(shí)現為何，通常都需要一個(gè)智能電源管理系統來(lái)為電池充電并在不同的電源之間提供無(wú)縫切換。在此類(lèi)電源管理系統中，電流和電壓感測是一項不可或缺的功能。

電流檢測可以在高側或低側實(shí)現。為了防止出現故障接地，通常需要 INA240 或 INA241A 等基于分流器的專(zhuān)用高壓電流檢測放大器 (CSA)。TMCS1123 或TMCS1101 等磁性電流傳感器憑借固有的電隔離特性，成為高壓應用的理想選擇。TMCS1123 可提供環(huán)境磁場(chǎng)抑制、快速過(guò)流檢測，并能夠提供 75ARMS 連續電流，非常適合接入電網(wǎng)或太陽(yáng)能。

負載點(diǎn)電流檢測

典型的 WI 電子系統由具有 12V 至 48V 等電壓范圍的直流母線(xiàn)供電。低電源軌源自總線(xiàn)電壓。

這些低電壓軌滿(mǎn)足一組特定的要求并通常位于所支持負載的附近，因此稱(chēng)為負載點(diǎn) (POL) 電源。根據測量的重要性或信息量，建議監測一個(gè)或多個(gè)此類(lèi)POL 電源中的電流或電壓。在這種情況下，對 CSA 的主要要求可能包括精度、速度、動(dòng)態(tài)范圍以及相關(guān)分流電阻器上的功率損耗等。

圖 2. 負載點(diǎn)電流檢測選項

如圖 2 所示，電流可以使用模擬或數字 CSA 并通過(guò)外部或集成式分流電阻，在負載的任一端進(jìn)行檢測。

CSA 提供了在成本、布板空間和性能方面有參考價(jià)值的匹配電阻器增益網(wǎng)絡(luò )。大多數 CSA 都具有 10 至1000 的固定增益。有些 CSA 提供可配置的增益。例如，INA225 具有可通過(guò)兩個(gè)數字控制引腳配置的增益，而另一些 CSA 具有可通過(guò)外部電阻器配置的增益，例如 INA139。

當選擇集成模數轉換 (ADC) 和分流電阻器的 CSA 時(shí)，系統集成會(huì )得到進(jìn)一步改進(jìn)。EZShunt? 技術(shù)將分流電阻器集成到了器件的引線(xiàn)框中，這樣通?？蓽p小電流檢測電路的總體外形尺寸。INA700 是一款超小型晶圓芯片級數字功率監測器，具有 40V 共模電壓范圍和 2mΩ引線(xiàn)框電阻，因此可支持 10ARMS。INA780A 是一款稍大的 EZShunt? 產(chǎn)品，采用 QFN 封裝，共模電壓范圍為 85V，引線(xiàn)框電阻為 400μΩ，因此可支持75ARMS。

在為 POL 測量選擇 CSA 及關(guān)聯(lián)的分流電阻器時(shí)，首先要考慮的主要因素是共模電壓、電流范圍、精度和速度。此外，如果需要過(guò)流保護 (OCP)，那么集成快速響應比較器的 CSA 通常是理想選擇，其中指定了失調電壓和傳播延遲等系統參數。與分立式元件相比，此類(lèi)CSA 可幫助消除一些不確定性，因而能夠簡(jiǎn)化設計。

若要監測多個(gè) POL，或許可以使用 INA4290 或INA4180 等多通道 CSA，因為這些放大器提供四個(gè)模擬輸出通道。當設備中存在微控制器或 FPGA 時(shí)，則通常會(huì )包含一個(gè) ADC 通道以及一個(gè) I2C 等數字總線(xiàn)。在這種情況下，可以實(shí)現一個(gè)模擬或數字輸出 CSA 作為 POL 監測器。另一個(gè)選擇是使用 INA3221 等多通道數字監測器，這樣既可以釋放控制器 ADC 通道，又能充分利用現有的 I2C 總線(xiàn)。此器件提供了多個(gè)警告和報警信號，以便在發(fā)生故障時(shí)快速做出響應，另外還提供了三個(gè)獨立通道的電流、電壓或功率信息。

功率放大器中的電流檢測

功率放大器 (PA) 的偏置電流可以根據最終應用的需求、調制方案和工作級別進(jìn)行調整。圖 3 展示了一種具有電流檢測功能的典型 PA。

PA通常采用硅 LDMOS 或 GaN 技術(shù)構建。無(wú)論是從PA 操作的角度來(lái)看，還是從總體能效管理的角度來(lái)看，電流檢測在 PA 應用中都非常重要。在相同的偏置電壓下，PA 偏置電流會(huì )因器件差異而有所不同。另外，偏置電流會(huì )隨溫度而變化。因此，為了讓 PA 控制器能夠精確地控制偏置電流，必須知道電流和溫度信息。偏置電流信息是提高系統效率所必需的，因為總系統功耗中約有 50% 是 PA 本身消耗的。

AMC7836等集成式功率放大器監控系統可以簡(jiǎn)化 PA電路設計。如前所述，由于器件存在自然差異，因此有時(shí)只知道柵極電壓還不足以實(shí)現精確的偏置電流控制。當控制環(huán)路中需要電流檢測功能時(shí)，可以使用單獨的高壓 CSA（例如 INA290 或INA281）。

AMC7834 等功率放大器監控系統是另一個(gè)集成電流檢測功能的選項。借助這類(lèi)設計，可以進(jìn)一步縮小布板空間。

圖 3. PA 偏置和電流檢測

備選器件建議

TI 提供了適合 WI 終端設備的全系列 CSA 和磁性傳感器，從高壓電源電流和 PA 電流檢測到通用 POL 電流監測，應有盡有。高壓 INA310A 還提供了集成式比較器和參考輸出，以便滿(mǎn)足 OCP 要求。對于需要出色精度的應用，具有 nA 級輸入偏置電流的 INA190 系列器件會(huì )是不錯的選擇。在檢測電流很小的情況下，這類(lèi)器件非常重要。在這些器件中，有些提供了使能引腳來(lái)進(jìn)一步降低功耗；有些則提供了 WCSP 封裝選項，用以?xún)?yōu)化布板空間。對于具有低共模電壓要求的應用，INA180 提供了速度和整體性能值。INA301 系列器件具有集成式快速比較器和高速放大器。根據 OCP 的需求，可以提供這兩種輸出。

表 1. 備選器件建議