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      微功率零漂移運算放大器支持無線電流檢測

      發布時間:2021-06-21 責任編輯:lina

      【導讀】許多電流檢測電路遵循相同的簡單方法:在檢測電阻器的兩端產生一個電壓降:放大該電壓,用一個 ADC 讀取它,然后就知道電流的大小了。但是,如果檢測電阻器所處的電壓與系統地迥然不同,那么事情會很快變得復雜起來。典型解決方案可消除模擬或數字域中的電壓差。不過,這里有一種不同的方法,即采用無線方式。
       
      引言
       
      許多電流檢測電路遵循相同的簡單方法:在檢測電阻器的兩端產生一個電壓降:放大該電壓,用一個 ADC 讀取它,然后就知道電流的大小了。但是,如果檢測電阻器所處的電壓與系統地迥然不同,那么事情會很快變得復雜起來。典型解決方案可消除模擬或數字域中的電壓差。不過,這里有一種不同的方法,即采用無線方式。
       
      高壓側電流檢測放大器在模擬域運行。這些 IC 是緊湊的,但是它們能夠承受的電壓差受到半導體工藝的限制。額定值超過 100V 的器件很稀有。而且,如果檢測電阻器的共模電壓快速變化或在高于和低于系統地之間擺動,那么這類電路的準確度常常會下降。
       
       
      磁性或光隔離器常常破壞數字域的隔離勢壘。硬件可能更笨重一些,但工作時不損失準確度,一般可承受數千伏電壓。這類電路需要一個隔離型電源,但是這種電源有時可以集成到隔離器組件中。如果檢測電阻器物理上是與主系統分隔開的,那么也許還需要使用很長的導線或電纜。
       
      最近出現的低功率信號調理和無線技術提供了一種新方法。通過允許整個電路隨著檢測電阻器的共模電壓浮置,并通過空中無線發送所測得的數據,電壓限制就不存在了。檢測電阻器可以放置在任何地方,無需使用電纜。如果電路的功率非常低,那么甚至不需要隔離型電源,用一塊小型電池就可運行很多年。
       
      無線電流檢測
      圖 1 所示電流檢測電路利用 LTC2063 斬波器穩定型運算放大器,以放大檢測電阻器兩端的壓降。微功率 SAR ADC AD7988 使壓降值數字化,并通過 SPI 接口報告結果。 LTP5901-IPM 是無線模塊,可自動與附近的其他節點形成一個基于 IP 的網格網絡。該器件還有一個內置微處理器,以讀取 AD7988 ADC SPI 端口。LTC3335 是一款毫微功率降壓-升壓型穩壓器,將電池電壓轉換成恒定輸出電壓。LTC3335 還包括一個庫倫計數器,以報告累計從電池抽取的電量。               
       
      微功率零漂移運算放大器支持無線電流檢測
      圖 1:一個低功率無線電流檢測電路,由一個放大檢測電壓的低功率斬波器型運算放大器構成,用一個低功率 ADC 和基準進行數字化,并連至一個 SmartMesh IP™ 無線模塊。一個低功率 DC/DC 轉換器調理電池,并跟蹤從電池吸取的電量。
       
      微功率零漂移運算放大器
      為了最大限度減少檢測電阻器中產生的熱量,壓降一般限制到 10mV 至 100mV。測量這個范圍的電壓需要輸入電路具很低的失調誤差,例如零漂移運算放大器。LTC2063 是一款超低功率、斬波器穩定型運算放大器,最大電源電流為 2µA。由于失調電壓低于 10µV,所以該器件可以測量非常小的壓降而不會損失準確度。圖 2 示出了把 LTC2063 配置為對一個 10mΩ 檢測電阻器兩端的電壓進行放大和電平移位的情形。選擇合適的增益以使檢測電阻器上的 ±10mV 全標度電壓 (對應于±1A 電流) 映射到輸出端上一個接近全標度范圍 (以中間電源為中心)。這個已放大信號饋送到 16 位 SAR ADC 中。之所以選擇 AD7988,是因為其非常低的備用電流和良好的 DC 準確度。在低采樣率時,ADC 在轉換之間自動停機,從而使 1ksps 時的平均電流消耗低至 10µA。LT6656 電壓基準消耗不到 1µA 電流,并偏置放大器、電平移位電阻器和 ADC 的基準輸入。
       
      微功率零漂移運算放大器支持無線電流檢測
      圖 2:電流檢測電路隨檢測電阻器電壓浮動。LTC2063 斬波運放放大檢測電壓并對其施加用于 AD7988 ADC 的中間電源軌偏置。LT6656-3 提供精準的 3V 基準。
       
      工業強度的無線網格
      LTP5901-IPM 等 SmartMesh 無線模塊包括無線電收發器、嵌入式微處理器和網絡軟件。當多個 SmartMesh 節點在某個網絡管理器的附近上電時,這些節點自動地相互識別確認并形成一個無線網格網絡。一個網絡中的所有節點自動地實現時間同步,這意味著每個無線電收發器僅在非常短暫的特定時間間隔期間上電。因此,每個節點能夠充當一個傳感器信息源,以及一個用于把數據從其他節點向管理器轉發的路由節點。這創建了一個高度可靠的低功率網格網絡,在該網絡中,從每個節點至管理器提供了多條通路,盡管所有的節點 (包括路由節點) 均依靠非常低的功率工作。
       
      LTP5901-IPM 包括一個 ARM Cortex-M3 微處理器內核,該內核運行網絡軟件。此外,用戶可以編寫應用固件,以執行特定于用戶應用的任務。在本例中,LTP5901-IPM 中的微處理器讀取電流測量 ADC (AD7988) 的 SPI 端口,并讀取庫倫計數器 (LTC3335) 的 I2C 端口。該微處理器還可以將斬波器運算放大器 (LTC2063) 置于停機模式,從而進一步將其電流消耗從 2µA 降至 200nA。這在兩次測量之間時間間隔極長的使用模式下,進一步節省了功率。
       
      毫微功率庫倫計數器
      對測量電路而言,一個節點每秒報告一次的典型功耗低于 5µA,而無線電收發器的功耗可能達到 40µA。實際上,功耗取決于各種因素,例如信號鏈路多長時間獲取一次讀數,以及節點在網絡中是怎樣配置的。
       
      本文舉例的電路是用兩節堿性主電池供電的。電池輸入電壓由集成了庫倫計數器的 LTC3335 毫微功率降壓-升壓型轉換器調節。該轉換器可從一個 1.8V 至 5.5V 輸入電源提供一個穩定的 3.3V 輸出。視無線電收發器是處于工作模式還是休眠模式而不同,占空比型無線應用的負載電流可能在 1µA 至 20mA 之間變化。LTC3335 在無負載時靜態電流僅為 680nA,當無線電收發器和信號鏈路處于休眠模式時,這使整個電路保持了非常低的功率。另外,LTC3335 還可輸出高達 50mA 電流,這在無線電發送 / 接受時以及為各種信號鏈路電路提供了足夠的功率。
       
      在高可靠性無線傳感器應用中,用光電池電量是絕對不可接受的。同時,太頻繁地更換電池會導致不希望發生的費用和宕機。結果是,需要能夠準確測量電池電量消耗的電路。 LTC3335 有一個內置庫倫計數器。無論何時,該穩壓器只要接通,就會跟蹤從電池吸取的總電量。這個信息可以用 I2C 接口讀出,然后可以用來預測電池更換時間。
       
      總結
      凌力爾特和 ADI 的信號鏈路、電源管理以及無線網絡產品相結合,可實現真正的無線電流檢測電路設計。圖 3 顯示了一個實例。新的超低功率 LTC2063 斬波器型運算放大器可準確讀出檢測電阻器兩端很小的壓降。包括微功率 ADC 和電壓基準在內的整個電路隨檢測電阻器的共模電壓而浮置。毫微功率 LTC3335 轉換器可用一個小型電池連續多年給電路供電,同時利用其內置庫倫計數器報告累計的電池電量使用情況。LTP5901-IPM 無線模塊管理整個應用,并自動連接到一個高度可靠的 SmartMesh IP 網絡。
       
      微功率零漂移運算放大器支持無線電流檢測
      圖 3:在一塊小型電路板上實現的一個完整的無線電流檢測電路。惟一的物理連接是用于測量電流的香蕉插口。無線模塊顯示在右側。該電路用連接到電路板背面的兩節 AAA 電池供電。
       
       
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