作者：Kris Lokere
簡(jiǎn)介
測量流經(jīng)檢測電阻的電流似乎很簡(jiǎn)單。放大電壓，用ADC讀取，就可以知道電流是多少；但如果檢測電阻上的電壓與系統地電壓相差很遠，檢測就會(huì )變得比較困難。典型解決方案是 在模擬域或數字域消弭該電壓差。但這里介紹一種不同的方法——無(wú)線(xiàn)。
模擬電流檢測IC是緊湊型解決方案，但其可承受的電壓差受限于半導體工藝。很難找到額定電壓超過(guò)100V的器件。如果檢測電阻共模電壓迅速變化或在系統地電壓上下擺動(dòng)，這些電路便無(wú)法精確測量。
數字隔離技術(shù)（磁或光學(xué)）體積有點(diǎn)大，但能以高精度工作，并且通�？梢猿惺軘登Х妷�。這些電路需要隔離電源，但有時(shí)可以將它集成在隔離器中。如果檢測電阻與主系統在物理上隔開(kāi)，那么可能還要使用長(cháng)導線(xiàn)或電纜。
無(wú)線(xiàn)電流檢測電路克服了上述諸多限制。讓整個(gè)電路隨同檢測電阻的共模電壓浮空，并在空中無(wú)線(xiàn)傳輸測量數據，電壓限制也就無(wú)從談起。檢測電阻可以位于任何地方，無(wú)需布置電纜。如果電路功耗非常低，那么甚至不需要隔離電源，一個(gè)小電池便能讓它運行多年。
設計概覽
圖1顯示了設計的框圖。該電流檢測電路基于斬波穩定運算放大器 LTC2063，其用來(lái)放大檢測電阻上的壓降。微功耗SAR ADC AD7988 將值數字化，并通過(guò)一個(gè)SPI接口報告結果。 LTP5901-IPM 是無(wú)線(xiàn)電模塊，不僅包含無(wú)線(xiàn)電，而且含有自動(dòng)形成IP網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )所需的組網(wǎng)固件。此外，LTP5901-IPM內置微處理器以讀取AD7988 ADCSPI端口。 LTC3335 是一款低功耗DC-DC電源，其將電池電壓轉換為恒定輸出電壓。LTC3335還含有庫侖計，用以報告從電池獲取的累計電荷。
圖1. 低功耗無(wú)線(xiàn)電流檢測電路由一個(gè)低功耗斬波運算放大器（用以放大檢測電壓）組成，利用低功耗ADC和基準電壓源進(jìn)行數字化處理，連接到SmartMesh IP無(wú)線(xiàn)電模塊。電池輸出到低功耗DC-DC轉換器得到恒定電源，同時(shí)記錄從電池獲取的電荷。
信號鏈
LTC2063是一款超低功耗斬波穩定運算放大器，其最大電源電流為2μA，特別適合電池供電應用。失調電壓小于10 μV，因此它可以測量非常小的壓降而不會(huì )喪失精度。圖2顯示LTC2063配置用來(lái)放大10 mΩ檢測電阻上的電壓并進(jìn)行電平轉換。選擇適當的增益，使檢測電阻的±10 mV滿(mǎn)量程輸入（對應于±1 A電流）映射到接近輸出端的滿(mǎn)量程范圍，其以1.5 V為中心。這一放大信號被輸入至16位SAR ADC。選擇AD7988是因為其極低的待機電流和良好的直流精度。采樣速率較低時(shí)，ADC在兩次轉換之間自動(dòng)關(guān)斷，1 kSPS時(shí)的平均功耗低至10 μA。LT6656用于偏置放大器、電平轉換電阻和ADC基準輸入。LT6656 基準電壓源功耗小于1 μA，可驅動(dòng)高達 5 mA負載，壓差很低，因此即使采用3.3 V系統電源供電，它也很容易輸出精密3 V電壓。
此信號鏈中有三個(gè)大致相等的失調誤差源，相對于±10 mV滿(mǎn)量程輸入，它們共同貢獻大約0.5%的誤差。這包括LTC2063和AD7988的失調電壓，以及電平轉換電阻的不匹配（推薦使用0.1%電阻）。單點(diǎn)校準可在很大程度上消除該失調。增益誤差一般以可用檢測電阻的不精確性為主，它往往比LT6656基準電壓源的0.05%、10 ppm/°C 規格還要差。
圖2. 電流檢測電路隨同檢測電阻電壓浮空。斬波運算放大器LTC2063放大檢測電壓，把它偏置到AD7988 ADC的中間軌。LT6656-3提供精密3 V基準 電壓源。
電源管理
LTC3335是一款集成庫侖計的納安功耗降壓-升壓轉換器。它配置用來(lái)從1.8 V到5.5 V的輸入電源產(chǎn)生3.3 V穩壓輸出。這使得該電路可以利用兩節堿性原電池的電源供電。對于占空比型無(wú)線(xiàn)應用，負載電流的變化范圍很容易達到1 μA至20 mA，取決于無(wú)線(xiàn)電是處于工作模式還是睡眠模式。LTC3335在空載時(shí)的靜態(tài)功耗僅680 nA，因此當無(wú)線(xiàn)電和信號鏈處于睡眠模式時(shí)，整個(gè)電路的運行功耗非常低。另外，LTC3335可以輸出多達50 mA的電流，在無(wú)線(xiàn)電發(fā)射/接收期間可輕松提供足夠的功率，故適合各種信號鏈電路。
LTC3335還內置一個(gè)庫侖計，非常方便。切換時(shí)，它會(huì )記錄從電池獲取的總電荷。此信息可通過(guò)I2C接口讀出，用來(lái)預測何時(shí)需要更換電池。
無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)
LTP5901-IPM是一個(gè)完整的無(wú)線(xiàn)電模塊，包括無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器、嵌入式微處理器和SmartMesh IP組網(wǎng)軟件。LTP5901-IPM在本應用中執行兩個(gè)功能：無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)和管理（進(jìn)程）。當網(wǎng)絡(luò )管理器附近有多個(gè)SmartMesh IP終端上電時(shí)，這些終端會(huì )自動(dòng)識別彼此，形成一個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )。整個(gè)網(wǎng)絡(luò )自動(dòng)進(jìn)行時(shí)間同步，這意味著(zhù)每臺無(wú)線(xiàn)電僅在非常短的特定時(shí)間間隔內上電。因此，各節點(diǎn)不僅是傳感器信息源，而且充當路由節點(diǎn)，用以將數據從其他節點(diǎn)傳遞到管理器。這樣就形成一個(gè)高可靠性、低功耗網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )，從各節點(diǎn)到管理器有多條路徑可走，不過(guò)所有節點(diǎn)（包括路由節點(diǎn)）的工作功耗都非常低。
LTP5901-IPM包括一個(gè)運行組網(wǎng)軟件的ARM® Cortex®M3微處理器內核。此外，用戶(hù)可以寫(xiě)入應用固件以完成特定于用戶(hù)應用的任務(wù)。在本例中，LTP5901-IPM內部的微處理器讀取電流測量ADC(AD7988)的SPI端口和庫侖計(LTC3335)的I2C端口。微處理器還能將斬波運算放大器(LTC2063)置于關(guān)斷模式，使其功耗從2 μA進(jìn)一步降低至200 nA。在測量間隔時(shí)間極長(cháng)的使用場(chǎng)合中，這可以節省更多功耗。
總功耗
完整應用電路的總功耗取決于多種因素，包括信號鏈多長(cháng)時(shí)間獲取一次讀數、節點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò )中如何配置等等。對于一個(gè)每秒報告一次的終端，測量電路的典型功耗低于5 μA，無(wú)線(xiàn)電的典型功耗可能為40 μA，很小的電池即可讓它工作數年。
圖3. 在小型PCB上實(shí)現的一個(gè)完整無(wú)線(xiàn)電流檢測電路。唯一的物理連接是待測電流的香蕉插座。無(wú)線(xiàn)電模塊如右圖所示。電路由連接到板背面的兩節AAA電池供電。
結論
Linear Technology和ADI公司信號鏈、電源管理、無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)產(chǎn)品的結合，使得我們可以設計真正的無(wú)線(xiàn)電流檢測電路。圖3顯示了一個(gè)實(shí)現示例。新型超低功耗斬波運算放大器LTC2063可以精確讀取檢測電阻上的小壓降。包括微功耗ADC和基準電壓源在內的整個(gè)電路隨同檢測電阻的共模電壓浮空。只要一個(gè)小電池，納安功耗LTC3335開(kāi)關(guān)穩壓器便可為該電路供電數年之久，同時(shí)利用內置庫侖計報告電池累計使用率。LTP5901-IPM無(wú)線(xiàn)模塊管理整個(gè)應用，自動(dòng)連接到一個(gè)高可靠性SmartMesh IP網(wǎng)絡(luò )。
關(guān)于作者
Kris Lokere是信號鏈產(chǎn)品部的戰略應用經(jīng)理，之前是Linear Technology的員工，在A(yíng)DI成功收購Linear Technology后成為ADI的一員。Kris喜歡采用多種產(chǎn)品線(xiàn)技術(shù)來(lái)構建系統。過(guò)去20年，Kris參與了運算放大器設計，組建工程團隊并管理產(chǎn)品線(xiàn)戰略。Kris持有多項專(zhuān)利，獲得魯汶大學(xué)電氣工程碩士學(xué)位和巴布森學(xué)院工商管理碩士(MBA)學(xué)位。
