【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(chǎn)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(tǒng)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(shù)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(chǎn)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(tǒng)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(shù)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(cè)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(tǒng)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(shù)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(shù)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(tǒng)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(xiàn)的低功率信號調(diào)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(fā)送所測得的數(shù)據(jù),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(wěn)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(shù)字化,并通過 SPI 接口報告結(jié)果。 LTP5901-IPM 是無線模塊,可自動與附近的其他節(jié)點形成一個基于 IP 的網(wǎng)格網(wǎng)絡。該器件還有一個內(nèi)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(wěn)壓器,將電池電壓轉(zhuǎn)換成恒定輸出電壓。LTC3335 還包括一個庫倫計數(shù)器,以報告累計從電池抽取的電量。
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(shù)字化,并連至一個 SmartMesh IP™ 無線模塊。一個低功率 DC/DC 轉(zhuǎn)換器調(diào)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(chǎn)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(diào)誤差,例如零漂移運算放大器。LTC2063 是一款超低功率、斬波器穩(wěn)定型運算放大器,最大電源電流為 2µA。由于失調(diào)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(zhuǎn)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。
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(yè)強度的無線網(wǎng)格
LTP5901-IPM 等 SmartMesh 無線模塊包括無線電收發(fā)器、嵌入式微處理器和網(wǎng)絡軟件。當多個 SmartMesh 節(jié)點在某個網(wǎng)絡管理器的附近上電時,這些節(jié)點自動地相互識別確認并形成一個無線網(wǎng)格網(wǎng)絡。一個網(wǎng)絡中的所有節(jié)點自動地實現(xiàn)時間同步,這意味著每個無線電收發(fā)器僅在非常短暫的特定時間間隔期間上電。因此,每個節(jié)點能夠充當一個傳感器信息源,以及一個用于把數(shù)據(jù)從其他節(jié)點向管理器轉(zhuǎn)發(fā)的路由節(jié)點。這創(chuàng)建了一個高度可靠的低功率網(wǎng)格網(wǎng)絡,在該網(wǎng)絡中,從每個節(jié)點至管理器提供了多條通路,盡管所有的節(jié)點 (包括路由節(jié)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(nèi)核,該內(nèi)核運行網(wǎng)絡軟件。此外,用戶可以編寫應用固件,以執(zhí)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(shù)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(jié)省了功率。
毫微功率庫倫計數(shù)器
對測量電路而言,一個節(jié)點每秒報告一次的典型功耗低于 5µA,而無線電收發(fā)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(shù),以及節(jié)點在網(wǎng)絡中是怎樣配置的。
本文舉例的電路是用兩節(jié)堿性主電池供電的。電池輸入電壓由集成了庫倫計數(shù)器的 LTC3335 毫微功率降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)。該轉(zhuǎn)換器可從一個 1.8V 至 5.5V 輸入電源提供一個穩(wěn)定的 3.3V 輸出。視無線電收發(fā)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(tài)電流僅為 680nA,當無線電收發(fā)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(fā)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(fā)生的費用和宕機。結(jié)果是,需要能夠準確測量電池電量消耗的電路。 LTC3335 有一個內(nèi)置庫倫計數(shù)器。無論何時,該穩(wěn)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(jié)
凌力爾特和 ADI 的信號鏈路、電源管理以及無線網(wǎng)絡產(chǎn)品相結(jié)合,可實現(xiàn)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(nèi)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(zhuǎn)換器可用一個小型電池連續(xù)多年給電路供電,同時利用其內(nèi)置庫倫計數(shù)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(wǎng)絡。
圖 3:在一塊小型電路板上實現(xiàn)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(cè)。該電路用連接到電路板背面的兩節(jié) AAA 電池供電。
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