如何以毫微功率预算实现精密测量

日期:2018-05-13

第2部分:应用毫微功耗运算放大器帮助电流感应
 
在本系列文章的第一部分,我们讨论了直流增益中偏移电压(VOS)和偏移电压漂移(TCVOS)的结构,以及如何选择具有理想精确度的毫微功耗运算放大器(op amp),从而使放大后低频信号路径中误差最小化。在第二部分中,我们将回顾电流感应的一些基础知识,并介绍如何在提供精确读数的同时,利用运算放大器来实现系统功耗最小化。
 
电流感应
 
设计者通过将一个非常小的“分流”电阻串联在负载上,在两者之间设置一个电流感应放大器或运算放大器,实现用于系统保护和监测的电流感应。虽然专用的电流感应放大器能够发挥十分出色的电流感应作用,但如果特别注重功耗的情况下,精密的毫微功耗运算放大器则是理想的选择。
 
有两个位置可以根据负载放置分流电阻:负载与电源之间(图1),或者负载与接地之间(图2)。

图1:高侧电流感应

图2:低侧电流感应
 
在这两种情况下,为了利用已知阻值的电阻来感应电流,通过运算放大器来测量分流电阻两端的电压。运用欧姆定律(公式1),可以确定电流消耗:

其中 V 表示电压,I 表示电流,R 表示电阻。
选择分流电阻和运算放大器,这样它们对电路的性能影响最小。在选择电阻时,根据以下两个条件选用低值电阻:
 
尽量将电阻两端的压降保持在低水平,使负载的负极在低侧感应时尽可能靠近接地,或者在高侧感应时尽可能靠近电源。
 
保持低功耗。从公式2可以看出,由于你要测量的是电流,因此它是一个自变量,所以电阻应尽可能小:

这里要说明一点:由于你要测量电流而不是让电流最小化(如我再第一部分中所做的),所以你必须将电阻值最小化,才能让功耗最小化—这与DC增益配置中功耗管理的思路相反。
超低功耗电流测量技术广泛应用于移动电源、手机等终端设备的电池充电和监测,也可以用于保证工业物联网应用的正常运行。
 
那么在选择电阻值时,可以压到多低呢?简单地说,电阻两端的压降应当大于你所用运算放大器的偏移电压。
 
示例
 
假设你要进行低侧差动电流测量(图3),以确保系统中不存在短路和开路。为了简易起见,本示例选用简单的数字,忽略诸如电阻容差之类的参数。
 

 
图3:低侧差动电流测量
 
电源电压为3.3V。在正确操作的情况下,系统得出最大电流值为10mA;你不想要有效接地,使负载高于100µV。你首先要明白一点,分流电阻的压降(由于电流)必须小于或等于100µV。
 
如果你使用公式3来确定最大分流电阻:
 

 
则有效接地为100µV,如公式4所示:
 

您必须选用运算放大器,它能够检测到这种压降的变化,表明是否存在故障。由于系统处于正常工作状态时,负载电流在其典型值±10%范围内。当电流变化至少10%时,运算放大器就可以检测出感应电阻两端的电压变化。
 
如果存在故障(如:开路,低电流导致的欠压,高电流导致的短路或掉电),公式5表示电流的变化(IΔ):
 

 
公式6计算出VSHUNT压降的变化:
 

 
在这个例子中,我会选择LPV821零漂移毫微功耗放大器。其零漂移技术可实现仅10µV的最大偏移电压,从而检测到故障情况。零漂移运算放大器是高精度(<100µV)测量的理想选择。此外,LPV821也是一种毫微功耗放大器,你可以让它一直处于开启状态,持续准确地感测电流,对系统功率预算的影响很小。
 
感谢阅读“如何以毫微功耗运算放大器实现精密测量”系列的第二部分。我们希望这一系列文章能够为你提供一些关于在直流增益和低侧电流传感应用中使用毫微功耗零漂移运算放大器的益处的见解。如果你对精密测量存在疑问,请注册并留言,或访问TI E2E中文社区放大器论坛

 
其它资源
下载 LPV821 的数据表。
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