利用無電阻傳感解決方案擴大電流測量范圍

測量系統(tǒng)中的電流是監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)的基本但功能強大的工具。借助先進技術(shù)，電子或電氣系統(tǒng)的物理尺寸大大縮小，功耗和成本降低，而性能方面幾乎沒有太大的妥協(xié)。每個電子設(shè)備都在監(jiān)控自己的健康狀況和狀態(tài)，這些診斷提供了管理系統(tǒng)所需的重要信息，甚至決定了其未來的設(shè)計升級。

人們越來越需要測量系統(tǒng)中從微小電流水平到幾安培電流的廣泛電流范圍。例如，在以下情況下，可以確定系統(tǒng)中流動或消耗的電流的高動態(tài)范圍：

1. 除正常運行外，睡眠/非活動電流還可確定整體負(fù)載性能和電池/電源功率估計。

2. ATE/測試環(huán)境需要處理微小/低微安電流水平到安培水平的電流，以進行研發(fā)或生產(chǎn)級測試。

3. 生產(chǎn)車間環(huán)境用于發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)問題(IC 下的助焊劑、不必要的焊料短路或開路)以及正常的操作功能測試。

4. 工業(yè)設(shè)備監(jiān)控，開啟和關(guān)閉期間的功率耗散提供了設(shè)備的健康狀況，例如，監(jiān)控設(shè)備中的正常電流和漏電流以確定其隨時間的磨損。

在高達(dá) 80V 的較高電壓電平(共模電平)應(yīng)用中，外部的簡單電流檢測放大器 (CSA)(但采用復(fù)雜的集成電路設(shè)計，其架構(gòu)迎合精度和準(zhǔn)確度)和檢測電阻是測量電流時大多數(shù)問題的解決方案。電流檢測放大器目前具有一流的準(zhǔn)確度和精度，可以滿足實現(xiàn)微安電流水平的需求，同時仍保持更好的信噪比 (SNR) 性能，以提供系統(tǒng)設(shè)計所需的測量分辨率。

然而，對于設(shè)計人員來說，選擇優(yōu)化的 CSA 并非易事。需要考慮以下幾點權(quán)衡：

1. 可用供應(yīng)

2. 最小可檢測電流(表示器件的輸入失調(diào)電壓 (V OS ) 有多低)

3. 最大可檢測電流(轉(zhuǎn)換為最大輸入檢測電壓 (V SENSE ))

4. R SENSE上允許的功率耗散

由于差分電壓范圍由電流檢測放大器的選擇決定，因此增加 R SENSE值可提高較低電流值測量的準(zhǔn)確性，但較高電流下的功耗較高，這可能是不可接受的。此外，檢測電流的范圍也會減小(I MIN：I MAX)。

降低 R SENSE值更有利，因為它可以降低電阻的功耗，增加感測電流范圍。降低 R SENSE值會降低 SNR(可以通過平均輸入噪聲來改善)。應(yīng)該注意的是，在這種情況下，設(shè)備的偏移會影響測量的準(zhǔn)確性。通常，在室溫下進行校準(zhǔn)可以提高系統(tǒng)準(zhǔn)確性，消除偏移電壓，但會增加某些系統(tǒng)的測試成本。

對于大多數(shù) CSA， V SENSE-RANGE通常為 100mV，輸入失調(diào)電壓約為 10μV。請注意，如果選擇 V SENSE_MIN為 10xV OS因子，則在未校準(zhǔn)系統(tǒng)中，這最多可為 ±10% 的誤差提供 3 個十倍頻程。同樣，如果選擇 100xV OS ，則可以實現(xiàn) ±1% 的誤差范圍，但動態(tài)范圍會縮小到 2 個十倍頻程。因此，動態(tài)范圍和精度之間存在權(quán)衡：收緊精度預(yù)算會降低 V SENSE_MIN規(guī)定的動態(tài)范圍，反之亦然。

需要注意的一點是，在 CSA + R SENSE系統(tǒng)中，R SENSE(公差和溫度系數(shù))通常是系統(tǒng)總精度的瓶頸。與其他替代方案(如電量計、集成芯片電阻的 CSA、使用運算放大器的差分放大器的分立實現(xiàn))相比，由于其簡單、可靠和成本合理，這仍然是業(yè)界監(jiān)控/測量系統(tǒng)電流的有效做法?？梢哉业礁叩燃壍墓詈蜏囟认禂?shù)檢測電阻，但價格更高。應(yīng)用在溫度范圍內(nèi)的總誤差預(yù)算需要等于 R SENSE 產(chǎn)生的誤差。

無電阻傳感解決方案：

對于需要測量更高動態(tài)范圍電流(從幾百微安到幾安培)的應(yīng)用，集成電流傳感設(shè)備 (U1) 是一種非常有用且有效的解決方案。該解決方案符合以下標(biāo)準(zhǔn)：

1. 集成傳感元件(無電阻)

2. 大于 4 個十進制電流感應(yīng)動態(tài)范圍

3. 電流輸出功能(與160Ω LOAD 一起提供0-1V V OUT，與所有 ADC /微控制器輸入兼容以實現(xiàn)電流)。

集成傳感裝置取代了外部傳感電阻，它位于 V DD輸入和負(fù)載 (LD) 輸出之間，能夠測量 100uA 至 3.3A 的系統(tǒng)負(fù)載電流 (I LOAD )。內(nèi)部增益模塊的增益為 1/500，可在 ISH 時提供輸出電流，即 。160Ω 電阻從 ISH 電流輸出連接到 GND，將 V ISH電壓輸出轉(zhuǎn)換為 0V 至 1V。

在 3A 負(fù)載電流下，傳感元件設(shè)備上的 V DD和 LD之間的壓降約為 60mV，相當(dāng)于僅 180mW 的功耗，而在較低的電流值下，感測 100μA 范圍時觀察到的總誤差在 10% 左右。由于在較高電流負(fù)載下功耗較低，并且在較低電流水平下仍能保持改進的誤差預(yù)算，該方案優(yōu)于傳統(tǒng)感測電路。因此，需要更寬電流感測范圍(高達(dá) 3A 感測)的應(yīng)用可以從該方案中受益。

具有擴展線路/輸入電壓的無電阻傳感解決方案：

輸入電壓范圍擴展，其中 U1 的電源電壓現(xiàn)在可以接受更高的線路電壓，最高可達(dá) 6V 至 36V。齊納二極管 (D1) 將 V DD和 PFET (M1) 柵極之間的電壓維持在 5.6 V。大部分高壓線路被 M1 吸收，M1 的源極被鉗位到距 V DD輸入電壓約 4V-4.5V，從而將 U1 工作電壓 (V DD -V SS ) 維持在其正常工作范圍內(nèi)。然后，這個 M1 的源極電壓偏置 M2 PFET 的柵極電壓。M2 PFET 源極位于 V SS (U1) + V TH(M2)確保 U1 ISH 輸出在可接受的電壓水平范圍內(nèi)。ISH 電流輸出和 R1 產(chǎn)生相對于 GND 的 0 至 1V 輸出。