如何在毫微功耗預(yù)算下進行精確測量，第 2 部分：使用毫微功耗運算放大器進行電流檢測

1.前言

在這個由兩部分組成的系列的第一部分中，我討論了直流增益中的失調(diào)電壓 (V OS ) 和失調(diào)電壓漂移 (TCV OS ) 機制，以及如何選擇具有合適電平的納級功率運算放大器(op amp)精度以最大限度地減少放大的低頻信號的信號路徑中的誤差。在第二部分中，我將回顧電流檢測的一些基礎(chǔ)知識，并展示我們可以使用運算放大器幫助最大限度降低系統(tǒng)功耗同時仍提供準確讀數(shù)的方法。

2.電流感應(yīng)

設(shè)計人員通過將一個非常小的“分流”電阻與相關(guān)負載串聯(lián)，在其兩端連接一個電流檢測放大器或運算放大器，從而執(zhí)行用于系統(tǒng)保護和監(jiān)控的電流檢測。專用電流檢測放大器在檢測電流方面非常出色，但在功耗最重要的情況下，精密納米功率運算放大器是一個不錯的選擇。

我們可以在兩個位置相對于負載放置分流電阻器：負載和電源之間（圖 1），或負載和地之間（圖 2）。

 1：高端電流檢測

圖 2：低側(cè)電流檢測

在這兩種情況下，為了檢測具有已知電阻值的電流，運算放大器會測量分流電阻器端子之間的電壓。使用歐姆定律（公式 1），我們可以確定電流消耗：

其中 V 是電壓，I 是電流，R 是電阻。

選擇分流電阻器和運算放大器，以便它們對電路行為的影響最小。在選擇電阻器時，有兩個因素推動了對低值電阻器的需求：

· 保持電阻兩端的壓降盡可能小，以便負載的負端子在低側(cè)檢測中盡可能靠近地，或在高側(cè)檢測中盡可能靠近電源。

· 保持低功耗。等式 2 表明，由于我們正在測量電流，因此它是自變量，電阻應(yīng)盡可能?。?/span>

澄清一點：由于我們正在測量電流而不是試圖最小化電流（就像我在本系列的第一部分中所做的那樣），我們需要最小化電阻器的值以最小化功耗——這是相反的思考過程管理直流增益配置中的功耗。

超低功耗電流測量技術(shù)可用于移動電源電池充電和監(jiān)控、手機電池充電和監(jiān)控等終端設(shè)備，甚至可以確保工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的正常運行。

那么，在選擇電阻值時，我們能做到多低呢？簡單地說，電阻兩端的壓降應(yīng)該大于我們使用的運算放大器的失調(diào)電壓。

3.低側(cè)差分電流測量

假設(shè)我們要執(zhí)行低側(cè)差分電流測量（圖 3）以確保系統(tǒng)中既沒有短路也沒有開路連接。為簡單起見，讓我們?yōu)楸臼纠x擇簡單的數(shù)字，并忽略電阻容差等參數(shù)。

圖 3：低側(cè)差分電流測量

電源電壓為 3.3V。系統(tǒng)正常運行時最多消耗 10mA 電流，并且我們不希望負載看到的有效接地電壓高于 100μV。我們首先會意識到我們的分流電阻器的壓降（由于電流）必須小于或等于 100μV。

如果我們使用公式 3 來確定最大分流電阻：

我們的有效接地將為 100μV，如公式 4 所示：

我們必須選擇能夠檢測此壓降變化的運算放大器，這表明出現(xiàn)了故障情況。因為當負載電流在其典型值 10mA 的 ±10% 以內(nèi)時，系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)。然后，當電流變化至少 10% 時，我們的運算放大器將能夠檢測到檢測電阻器兩端的電壓變化。  

當出現(xiàn)故障情況時（例如開路、低電流導(dǎo)致的掉電，或大電流導(dǎo)致的短路或掉電），公式 5 將電流變化 (I Δ ) 表示為：

公式 6 計算了 V SHUNT兩端電壓降的最終變化：

在這個例子中，我會選擇LPV821零漂移納米功率放大器。其零漂移技術(shù)可實現(xiàn)僅 10μV 的最大失調(diào)電壓，使其能夠檢測故障狀況。零漂移運算放大器非常適合高精度 (<100μV) 測量。此外，LPV821 還是一款毫微功率放大器，這意味著我們可以讓它始終保持開啟狀態(tài)，它將繼續(xù)提供準確的電流檢測測量，而對系統(tǒng)功率預(yù)算的影響很小。希望本系列提供一些關(guān)于在直流增益和低側(cè)電流檢測應(yīng)用中使用納米功率零漂移運算放大器的好處的見解。