利用電流監測器實(shí)現簡(jiǎn)單高效的電流測量解決方案

　　許多現代電子系統要求采用某種形式的電流測量方法來(lái)改善系統的功耗、效率和可靠性，這些系統包括了LED驅動(dòng)、便攜式設備和各種體積的供電電源等。

　　為了盡可能提高大功率LED的使用壽命，需要對LED電流進(jìn)行精確調節。大多數調節器是采用參考電壓為2.5V或1.25V的電壓調節器，這些調節器可以實(shí)現高性能調整，但遺憾的是，當可編程電壓調節器用作電流調節器時(shí)，電流檢測電阻上的壓降會(huì )造成很大的功率損失，因為電阻上的壓降與參考電壓相等。

　　對于3W的LED來(lái)說(shuō)，不管采用線(xiàn)性調節器還是開(kāi)關(guān)調節器，在電流檢測電阻上都會(huì )消耗額外的2.5W功率，因此會(huì )造成很大程度的自體發(fā)熱，即使最好情況下效率也只能達到50%，這對任何DC-DC轉換器解決方案都會(huì )造成很大影響。

　　圖1給出了針對上述問(wèn)題的簡(jiǎn)單高效的解決方案。利用電流監測器測量LED電流值，經(jīng)放大后匹配參考電壓，這樣就可減少電流檢測電阻上的壓降(一般小于100mV)，因此可以大幅節省功率。

　　當使用開(kāi)關(guān)調節器時(shí)，在LED的高壓側使用電流監測器測量LED的電流，同樣可以提高系統的整體性能。這種檢測方法不再以地為參考，因而減少了對噪聲的易感性。采用電流監測器的高壓側電流測量方法帶來(lái)的另外一個(gè)好處是能用于降壓(buck)、升壓(boost)以及boost-buck配置中。

圖1：LED電流調節器。

電源過(guò)流檢測

　　為了提高可靠性，許多電源產(chǎn)品采用了某種形式的供電軌過(guò)流保護/檢測電路。對單路輸出而言，電流可以在地側測量，但這樣做存在干擾地平面的缺點(diǎn)。通過(guò)在電壓軌(rail)上測量電流可以克服這個(gè)問(wèn)題，而且能夠測量多個(gè)軌。

　　圖2對傳統配置和采用電流監測器的配置進(jìn)行了比較。電流監測器專(zhuān)門(mén)用于測量以高壓側為參考的電流，可以從被監測的電壓軌處獲取偏置信號。這意味著(zhù)它們不需要單獨的電源管腳，并且只需要兩個(gè)電阻，因而可以顯著(zhù)減少PCB面積和器件數量，而且能提供比通用運放更高的性能。

圖2：過(guò)流感應電路。

　　許多新型器件已經(jīng)集成了參考源和比較器，可提供完整的過(guò)流保護解決方案。如圖3所示的集成方案將放大器、參考源和晶體管整合在一個(gè)器件中，不僅節省了PCB面積，而且不會(huì )對地平面造成干擾。

圖3：過(guò)流保護電路。

便攜式設備的電池電量估計

　　越來(lái)越多的便攜式設備需要高效的電池電量估計方法，通過(guò)先進(jìn)的系統電源管理延長(cháng)使用時(shí)間。

　　傳統的電池電量測量方法大多通過(guò)電池電壓的測量提供簡(jiǎn)單的電量估計，因為電池電量的下降會(huì )導致電池電壓的下降。然而這種方法在許多應用中被證明是不夠理想的，因為電池單元的電壓在單元放電期間會(huì )不斷變化，并且高度依賴(lài)于單元溫度、放電率以及單元充電時(shí)的溫度。

　　只使用電池電壓作為電池容量的測量依據會(huì )使事情變得更糟，因為當負載電流急劇增加時(shí)會(huì )導致電池有效內阻上產(chǎn)生額外的壓降，從而導致錯誤的低壓測量結果。例如，具有紅外、藍牙以及相機功能的手機在全部功能開(kāi)啟時(shí)會(huì )導致電池監測電路誤給出低電量告警，并導致系統關(guān)閉部分電路以期延長(cháng)電池使用時(shí)間。

　　在高放電率(從600mAHr單元釋放1200mA)情況下，電池電量會(huì )小于標稱(chēng)值的20%，但其放電曲線(xiàn)要比低放電率時(shí)更平滑。這種現象極大地限制了剩余電量測量精度，也即意味著(zhù)使用相同電壓對于低電池標志以及所有溫度和放電率而言，會(huì )產(chǎn)生很大誤差。

　　通過(guò)測量放電電流可以提高電池容量測量精度，從而使剩余電量的估計具有可計算性，可更準確地顯示剩余電量，同時(shí)系統也能無(wú)差錯的關(guān)閉未使用的部分電路以延長(cháng)電池壽命。

　　測量放電電流的另外一個(gè)好處是可以保護電池免受過(guò)大放電電流的沖擊，這種沖擊會(huì )縮短電池壽命，甚至損壞電池。

　　筆記本電腦的電池通常使用專(zhuān)用的氣體壓力芯片來(lái)測試電池壽命，但在許多對成本敏感的小型設備中，這些芯片太過(guò)昂貴，而且功耗很大。用于手機等小型便攜式設備，簡(jiǎn)單的解決方案是使用微功耗運放或電流監測器，并通過(guò)小的串聯(lián)電阻測量放電電流。這些電路通常會(huì )和用于測量電池電壓和溫度的電源管理系統一起使用，因此無(wú)需額外昂貴的器件，也不會(huì )增加PCB面積。

　　微功耗電流監測器非常適于這些應用，因為它們能與一個(gè)或多個(gè)鋰離子/聚合體單元協(xié)同工作，而不會(huì )干擾地線(xiàn)連接，并且可以從被監測的電壓軌中獲得電能。電流監測器需要使用一個(gè)額外的電阻來(lái)設置其增益，這樣就為在多個(gè)系統中使用一個(gè)元件匹配所要求的動(dòng)態(tài)范圍提供了一個(gè)簡(jiǎn)單途徑。圖4中需要增加的器件是電流監測器、低阻值串聯(lián)電流檢測電阻和增益設置電阻。

圖4：具有成本效益的微功率電量監測電路。

　　綜上所述，電流監測器為電流測量提供了一種簡(jiǎn)單高效的解決方案。通過(guò)增加一個(gè)串聯(lián)小電阻就能實(shí)現電流測量，而且該電阻負載上的壓降和功耗都非常小。在大多數應用中這種方案不僅可以提高系統性能，而且可以減小整體尺寸。