高可靠性系統(tǒng)中電流檢測的實際考慮

高邊電流檢測的基本原理

基于電阻的電流檢測比較簡單，易于使用而且成本較低，這種方法可以提供極高的線性度，無需校準。根據(jù)歐姆定律：電阻電壓與流過電阻的電流成正比：V = IR。但是，當(dāng)電流流過電阻時，所有的電阻都有功率損耗，損耗功率轉(zhuǎn)換成熱量還會影響電阻值。因此，必須仔細評估檢測電阻的功率損耗。

檢流電阻較大時精度較高，但功率損耗也更大：

其中I為檢測電流，R為檢測電阻。檢測電流的幅值由實際應(yīng)用決定，而非設(shè)計參數(shù)。因此，檢測電阻值必須盡可能小，以降低熱量。

選擇較小的檢流電阻，相應(yīng)地檢測電壓也會減小。需要借助放大器將其放大到能與比較器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)或其它外部電路連接相一致的電壓值。此外較小的檢測電壓容易受測量誤差的影響，包括內(nèi)部偏置電流、放大器輸入失調(diào)電壓等。比如：實際應(yīng)用中，檢測電壓的整個范圍為50mV到200mV。如果放大器的最大輸入失調(diào)電壓為±5mV，則在50mV (滿量程)情況下對應(yīng)的測量誤差達到±10%，而且對于電流更小的情況還會更糟。

圖1. 根據(jù)歐姆定律測量電流的高邊電流檢測器。　

電流檢測放大器要求具有低輸入失調(diào)電壓和低輸入偏置電流。專用的電流檢測放大器(圖1)在電源(比如電池)和負載之間放置檢流電阻，這種方法避免了地層較大電阻的影響，大大簡化了布板過程并提高了整個電路的性能。流過檢流電阻(R_SENSE)的電流在電阻兩端產(chǎn)生壓降，由運算放大器 target=_blank>運算放大器檢測后并驅(qū)動MOSFET管吸收電流，電流流過電阻R，R上的壓降等于檢測電阻兩端的電壓：

因此：

檢測器輸出電流與負載電流成正比，一般而言，可以通過鏡像電流乘以一個系數(shù)K來提高輸出電流。如果需要電壓輸出，在電流輸出和地之間加上輸出電阻(R_O)即可將電流轉(zhuǎn)換為電壓。電阻R和R_O可很容易地在生產(chǎn)中調(diào)理，達到優(yōu)于1%的精度。

電流保護電路

高可靠性供電電路通常具有短路或過載保護(圖2a)，圖中所示IC (MAX4373電流檢測器)集成了基準源、比較器和鎖存器，R1、R2用于設(shè)置電流門限。比較器將電流檢測器的輸出電壓與基準電壓相比較。當(dāng)負載電流達到所允許的最大值時，比較器輸出鎖定為邏輯高，將p溝道MOSFET關(guān)斷，斷開流入負載的電流。產(chǎn)生復(fù)位或重新上電之前，p溝道MOSFET將始終保持關(guān)斷狀態(tài)。

圖2a. IC檢測到過載時，短路保護電路將關(guān)閉P溝道MOSFET并斷開負載。

電池充電器及其它應(yīng)用中，必須防護短路時的過流以及開路時的欠流情況。出于這一考慮，我們設(shè)計了圖2b，圖中電流窗檢測器與圖2a電路相似，但多了一個用于監(jiān)測欠流情況的比較器。兩個比較器為漏極開路輸出，可以連接到一起，也可以單獨輸出。當(dāng)檢測電流超出規(guī)定范圍時，IC將向系統(tǒng)發(fā)出故障報警。

圖2b. 電流窗檢測電路(包括R1-R4，比較器和基準源)，檢測開路/短路故障。

熱插拔控制器

熱插拔控制器是專用的一種電流檢測器，用于系統(tǒng)板卡，如：服務(wù)器中的I/O卡。允許系統(tǒng)運行過程中帶電插、拔板卡，而不會中斷系統(tǒng)運行。如果沒有熱插拔控制器，帶電插拔操作將會造成系統(tǒng)電源短路，中止系統(tǒng)工作。并且，沒有熱插拔控制器時，帶電插入板卡很容易造成電容的迅速充電，所產(chǎn)生的浪涌電流會使系統(tǒng)電源電壓被瞬間拉低。

熱插拔控制器(圖3)可以有效解決上述問題，具有軟啟動功能，可以將浪涌電流降到安全范圍內(nèi)。系統(tǒng)發(fā)生故障時(過載或短路)，熱插拔控制器能夠斷開板卡與系統(tǒng)其它電路的連接。

圖3. MAX5933熱插拔控制器保護電源總線不受浪涌電流及短路故障的影響。

作為一個應(yīng)用實例，MAX5933A系列熱插拔控制器允許帶電主板上插、拔電路板卡，不會對主板電源造成干擾。啟動過程中，控制器相當(dāng)于電流調(diào)節(jié)器，通過外部檢流電阻和MOSFET限制流入負載的電流。內(nèi)部電路環(huán)慢增大監(jiān)測電流，可避免較大的浪涌電流。 檢流電阻還設(shè)置了電流限，如果FB輸入檢測到短路故障，IC會降低電流限，減小3.9倍。比如，選擇檢流電阻為25m，標準工作模式下電流門限設(shè)置為1.88A，出現(xiàn)短路時，門限會降到480mA。熱插拔控制器一般都包含定時器，如果在指定時間內(nèi)電流沒有降低，則斷開MOSFET，保護電源總線。熱插拔控制器還具有其它諸多功能，如：欠壓保護、過壓保護、過熱保護等。

電量測量和電池管理

圖1所示電流檢測放大器是一款非常簡單、通用的器件。電量計、電池管理等特殊應(yīng)用需要集成更多的功能，如圖4所示。電量計在電池供電產(chǎn)品中應(yīng)用很普遍，通過精確監(jiān)視電池容量可以優(yōu)化系統(tǒng)性能，延長電池的使用壽命。

圖4. 電量計，如MAX1660，通過監(jiān)視流入/流出電池包的電荷，跟蹤充電/放電電流。

膝上型電腦的電池包一般集成有一個智能電量計，用于監(jiān)視、監(jiān)控電池的充電和放電過程。這種電量計帶有一個數(shù)字庫侖計數(shù)器，跟蹤累計充電、放電電量。對于一個特定電池，當(dāng)其接受了一定電量時認為其充滿電(以庫倫量表示)；當(dāng)從電池取走一定的電量時，則認為其電量釋放完畢(完全放電)。電流對時間的積分等于總電荷量，利用檢流放大器測量電池電流，庫侖計數(shù)器充當(dāng)積分器，計算充電、放電過程的總電量。

電量計中的電流檢測器要求能夠測量雙向電流，為電池包充電時，最大電量由用戶設(shè)置。庫倫計數(shù)器達到所設(shè)置的門限時，認為電池已充滿，通知微控制器終止充電。同樣，放電過程中，電量計為用戶指示剩余電量的信息。當(dāng)庫倫計數(shù)器達到器最小值門限時，通知微控制器電池電量已空，可避免電池過度放電。這樣，庫侖計數(shù)器可防止電池出現(xiàn)過充電和過放電，從而延長電池的有效使用周期。

電流檢測器還通過連續(xù)監(jiān)視電流防止過載和短路，出現(xiàn)短路時立即關(guān)閉MOSFET，斷開電池的連接。

動態(tài)供電控制

為了降低電池功耗、延長電池的通話時間，手機中的功率放大器(PA)需要精確控制其電源電流。手機位置距離基站較近時，不需要大的發(fā)射功率，可以降低PA的電源電流并仍可保持良好的信號傳輸；當(dāng)手機位置距離基站較遠時，發(fā)送器需要較高的輸出功率和較大的電源電流。根據(jù)實際需求動態(tài)調(diào)節(jié)PA的電源電流可降低功耗，延長通話時間。

與圖1類似，MAX4473 PA電流控制器(圖5)集成了一個誤差放大器和閉環(huán)控制電路，工作原理類似于電流源。誤差放大器(A3)比較、檢測電阻R_SENSE和R_G1的電壓，并將其輸出送入功率放大器的增益控制環(huán)路，通過增大、減小PA的增益和輸出功率調(diào)節(jié)電源電流。電壓-電流轉(zhuǎn)換器由A2、Q1組成，R_G3控制R_G1的壓降，用戶還可以通過PC輸入控制PA的電源電流：

圖5. 電流控制器(MAX4473)動態(tài)調(diào)節(jié)電源電流，在保持良好的信號完整性的同時使功耗降至最小。

先進功率檢測

筆記本電腦的電池電壓隨著電池放電而改變，因此，監(jiān)視功率要比監(jiān)視電流更安全，效果更好。功率監(jiān)視器包括電流檢測電路(電壓輸出)和一個模擬乘法器。高邊電流檢測器提供與負載電流成正比的輸出電壓，該電壓與負載電壓相乘，可以獲得與負載功率成正比的輸出電壓。

MAX4210功率檢測IC是針對筆記本電腦電池監(jiān)測設(shè)計的，其共模電壓范圍(4V至28V)能夠滿足各種電池的電壓要求。為了檢測電流，需要在電源(電池)與負載之間插入一個檢流電阻。檢流放大器將與負載電流成正比的電壓送入模擬乘法器的一個輸入端，另一個乘法器的輸入連接到負載電壓的分壓網(wǎng)絡(luò)(由于模擬乘法器的輸入范圍有限，1.1V，必須降低輸出電壓的幅度。) 最終產(chǎn)生與負載功率成正比的輸出。

圖6所示固態(tài)功率檢測器能夠為電池提供有效保護，避免電池在出現(xiàn)短路或功率過大時損壞。當(dāng)MAX4211檢測到故障狀態(tài)時，將斷開p溝道MOSFET (M1)，按下復(fù)位按鈕或在CIN2-輸入施加一個高電平，或重新上電，可以解除MOSFET的關(guān)閉狀態(tài)。比較器(R3-R4-C1)外接一個RC網(wǎng)絡(luò)，以避免上電過程中由于電壓的瞬態(tài)變化而導(dǎo)致錯誤的故障檢測。

圖6. 固態(tài)功率檢測器在系統(tǒng)出現(xiàn)過大功率時斷開負載。按下復(fù)位鍵或在CIN2-輸入施加一個高電平，將斷路器復(fù)位。如果上電過程中出現(xiàn)瞬態(tài)電壓，INHIBIT輸入臨時將比較器的COUT1屏蔽掉，防止誤報警。

結(jié)論

基于歐姆定律的電流檢測器可以廣泛用于電源保護、電池電量監(jiān)測、動態(tài)供電控制等應(yīng)用。新型IC集成了實現(xiàn)低成本、高性能、全硅電流監(jiān)測系統(tǒng)的絕大多數(shù)元件。經(jīng)過工廠調(diào)理的IC能夠達到1%的測量精度，可有效改善系統(tǒng)的性能指標，提供系統(tǒng)的可靠性和安全性。