摘要：將模擬乘法器和高邊電流檢測放大器相結(jié)合，能夠在筆記本電腦或其它便攜儀器中實(shí)現(xiàn)電池充、放電電流的測量。本文討論將模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的基準(zhǔn)電壓加到模擬乘法器的一個輸入端，以提高電流測量精度的方法。

引言

在對可靠性和精確性要求非常高的應(yīng)用中，大量使用了高邊電流檢測放大器。筆記本電腦中，它被用來監(jiān)測電池的充、放電電流，也可以用來監(jiān)測USB口和其它電壓的電流。為了控制系統(tǒng)發(fā)熱和電源損耗，要求降低這些電壓的輸出功率。在便攜式消類產(chǎn)品中，高邊電流檢測放大器用來監(jiān)測鋰電池的充、放電電流。汽車應(yīng)用中，這樣的放大器不僅可以監(jiān)測電池電流，也可以用來進(jìn)行馬達(dá)控制和GPS天線檢測。在通信基站中，這樣的放大器也被用來監(jiān)測功率放大器的電流。

很多應(yīng)用中，高邊電流檢測放大器能夠直接與模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)相連。有一些ADC由外部基準(zhǔn)電壓決定滿量程輸入范圍，它們的輸出精度在很大程度上取決于基準(zhǔn)電壓的精度。

本文介紹了在多數(shù)應(yīng)用中，如何利用一個集成了高邊電流檢測放大器的模擬乘法器來檢測電池的充、放電電流。本設(shè)計(jì)方案通過把ADC的基準(zhǔn)電壓加到模擬乘法器的輸入端，有效提高了檢測精度。

高邊與低邊電流檢測技術(shù)

高邊、低邊電流檢測是兩種通用的電流測量方法。高邊檢測是在電源(如電池)和負(fù)載之間放一個檢流電阻；低邊檢測是在地回路上串聯(lián)一個檢流電阻，這種方法與高邊檢測相比有2個缺點(diǎn)：第一，如果負(fù)載發(fā)生意外短路，低邊電流檢測放大器將被旁路，不能檢測短路狀態(tài)；第二，由于在地回路中引入了所不期望的阻抗，從而把地平面分割開。高邊電流檢測也有一個缺點(diǎn)：電流檢測放大器必需支持高共模電壓輸入，幅度取決于具體的電壓源。高邊檢測主要用于電流檢測放大器，而低邊檢測可采用簡單的運(yùn)算放大器，只要這個放大器能夠處理以地為參考的共模輸入即可。

利用高邊檢流放大器測量功率

圖1說明了如何利用集成了模擬乘法器的高邊電流檢測放大器MAX4211測量供給負(fù)載的功率(定義為負(fù)載電流與電壓的乘積)。高邊電流檢測提供與負(fù)載電流成比例的電壓輸出，該輸出電壓加到模擬乘法器，而模擬乘法器的另一個輸入為負(fù)載電壓。由此，乘法器輸出一個與負(fù)載功率成正比的電壓。


圖1. 高邊電流檢測(MAX4211)，把負(fù)載電壓和負(fù)載電流相乘，得到正比于負(fù)載功率的模擬輸出電壓

模擬乘法器在高邊電流檢測放大器中的使用

這里的模擬乘法器不僅僅提供功率測量，還可提供其它用途。如果其外部輸入沒有連接到負(fù)載電壓，也可以把它連接到ADC的基準(zhǔn)電壓。這種情況下，乘法器將不再測量功率，而是把電流檢測放大器的輸出電壓與ADC的基準(zhǔn)電壓相關(guān)聯(lián)。

圖2說明了這種用法，高邊電流檢測放大器測量電池的充電電流。電壓輸出(POUT)加到輸入范圍為0V至VREF的16位ADC。這里，外部穩(wěn)壓源提供VREF，電壓范圍：1.2V至3.8V (該例中為3.8V)。乘法器的輸入范圍是0到1V，可以把3.8V基準(zhǔn)電壓通過R1/R2分壓實(shí)現(xiàn)。假設(shè)R2 = 1kΩ，R1 = 2.8kΩ，則VIN = 1V。MAX4211的增益為25，則電壓測量范圍為：0到150mV，輸出電壓(對POUT和IOUT)范圍為0至3.75V (與流入負(fù)載的電流成正比)。


圖2. 該電路利用檢流放大器(MAX4211)和帶外部基準(zhǔn)的ADC，測量電池充、放電電流

圖3提供了一個類似應(yīng)用，ADC具有內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，這里介紹的應(yīng)用是用于內(nèi)置基準(zhǔn)和外部基準(zhǔn)ADC的情況。


圖3. 該電路中，MAX4211配合內(nèi)置基準(zhǔn)的ADC測量充電及放電電流

利用電流檢測放大器的POUT作為輸出，而不是IOUT，其優(yōu)點(diǎn)是：加到ADC的信號(正比于負(fù)載電流)可以通過VREF降下來。用POUT作為輸出，降低了對基準(zhǔn)電壓精度的要求，因?yàn)锳DC的數(shù)字輸出取決于輸入電壓與基準(zhǔn)電壓(代表滿量程值)的比。因?yàn)镻OUT是基準(zhǔn)電壓的函數(shù)，因此消除了基準(zhǔn)對ADC測量精度的影響，理論上與基準(zhǔn)電壓及其精度無關(guān)。

如果把IOUT接ADC，則基準(zhǔn)上的任何誤差都將影響到輸出。以下兩個公式分別給出了ADC輸入與ADC滿量程范圍的比值，由此解釋了上述結(jié)論：

POUT/VREF = ILOAD × RSENSE × 25 × VREF × R2/(R1 + R2)/VREF = ILOAD × RSENSE × 25 × R2/(R1 + R2)	[Eq. 1]
IOUT/VREF = ILOAD × RSENSE × 25/VREF	[Eq. 2]

式1采用POUT輸出，ADC精度將與VREF精度無關(guān)；式2采用IOUT輸出，將產(chǎn)生一個與VREF成反比的誤差。

圖2和圖3的整體精度取決于很多因素：電阻精度、放大器增益誤差、電壓失調(diào)、偏置電流、基準(zhǔn)電壓的精度、ADC誤差以及上述參數(shù)的溫漂。圖2和圖3給出了提高系統(tǒng)精度的解決方案，利用MAX4211模擬乘法器可以消除誤差源之一—基準(zhǔn)電壓誤差。

VREF的精度至少與以下三個因素有關(guān)：

1. 初始誤差(標(biāo)稱值的百分比)
2. VREF隨負(fù)載的變化
3. VREF隨溫度的變化

圖4描述了上述第2個誤差源，隨著VREF負(fù)載的提高，VREF輸出從3.8V降到1.2V。POUT將隨著VREF變化，變化規(guī)律與之相同。


圖4. VREF隨負(fù)載的變化曲線，這里給出的是POUT/IOUT隨VREF的變化，VSENSE = 125mV

圖5、圖6和圖7給出了VCC = 5V、VSENSE保持固定100mV時，VREF和MAX4211輸出隨溫度的變化。圖2電路的工作溫度從-40°C變化到+85°C，以20°C為級差(-20°C、0°C、+25°C、+45°C和+65°C)，圖5曲線顯示了VIN隨溫度變化的結(jié)果(即VREF在整個溫度范圍內(nèi)的溫漂)。


圖5. VIN隨溫度的變化曲線

圖6給出了MAX4211的IOUT、IOUT/VIN隨溫度的變化曲線，與ADC的輸入信號/滿量程信號之比成正比(如果用IOUT輸出驅(qū)動ADC)。


圖6. IOUT、IOUT/VIN隨溫度的變化曲線，VSENSE = 100mV

IOUT/VREF之比隨溫度的變化與圖5所示VIN隨溫度的變化曲線有關(guān)。圖5中，VIN在0°C和+45°C之間向下彎曲，對應(yīng)于圖6 IOUT/VIN在相同溫度范圍的凸起部分。這樣，ADC的測量值會因?yàn)榛鶞?zhǔn)(VREF)受溫度的影響而發(fā)生變化。

最后，圖7給出了MAX4211的POUT、POUT/VIN隨溫度的變化曲線。從中可以看出：POUT/VIN與ADC輸入信號/滿量程比成正比關(guān)系。

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圖7. POUT、POUT/VREF隨溫度的變化曲線，VSENSE = 100mV

從圖7可以看出，POUT/VIN與VIN隨溫度的變化無關(guān)。VIN在0°C到+45°C之間向下彎曲經(jīng)過POUT輸出后進(jìn)行了“補(bǔ)償”，因?yàn)閂IN沒有出現(xiàn)在POUT/VIN曲線，相應(yīng)地，ADC的輸出也不會受VREF隨溫度改變的影響。

圖8給出了IOUT/VIN和POUT/VIN與其相應(yīng)的理想線性特性的差異。


圖8. POUT/VIN、IOUT/VIN隨溫度的變化曲線，VSENSE = 100mV

結(jié)論

集成了模擬乘法器的高邊電流檢測放大器通常用來測量負(fù)載功率。不過，這種集成乘法器也可以提供另一種功能。電流檢測放大器可以連接內(nèi)置或外置基準(zhǔn)的ADC。兩種情況下，整體測量精度主要與基準(zhǔn)電壓(VREF)的精度有關(guān)。如果把負(fù)載電流與基準(zhǔn)電壓VREF相乘后輸出到ADC，將可以消除基準(zhǔn)電壓的誤差。采用這種設(shè)計(jì)，即使是使用低成本、低精度的基準(zhǔn)電壓，也可以提高負(fù)載電流的測量精度。