模擬乘法器提高高邊電流檢測(cè)的測(cè)量精度(圖)

作者：Maxim公司 Maurizio Gavardoni

　　將模擬乘法器和高邊電流檢測(cè)放大器相結(jié)合，能夠在筆記本電腦或其他便攜儀器中實(shí)現(xiàn)電池充、放電電流的測(cè)量。本文討論將ADC的基準(zhǔn)電壓加到模擬乘法器的一個(gè)輸入端，以提高電流測(cè)量精度的方法。

　　對(duì)可靠性和精確性要求非常高的應(yīng)用中大量使用了高邊電流檢測(cè)放大器。筆記本電腦中，它被用來監(jiān)測(cè)電池的充、放電電流，也可以用來監(jiān)測(cè)USB口和其他電壓的電流。為了控制系統(tǒng)發(fā)熱和電源損耗，要求降低這些電壓的輸出功率。在便攜式消費(fèi)類產(chǎn)品中，高邊電流檢測(cè)放大器用來監(jiān)測(cè)鋰電池的充、放電電流。汽車應(yīng)用中，這樣的放大器不僅可以監(jiān)測(cè)電池電流，也可以用來進(jìn)行電機(jī)控制和GPS天線檢測(cè)。在通信基站中，這樣的放大器也被用來監(jiān)測(cè)功率放大器的電流。

　　很多應(yīng)用中，高邊電流檢測(cè)放大器能夠直接與ADC相連。有一些ADC由外部基準(zhǔn)電壓決定滿量程輸入范圍，它們的輸出精度在很大程度上取決于基準(zhǔn)電壓的精度。本文介紹了在多數(shù)應(yīng)用中，如何利用一個(gè)集成了高邊電流檢測(cè)放大器的模擬乘法器來檢測(cè)電池的充、放電電流。本設(shè)計(jì)方案通過把ADC的基準(zhǔn)電壓加到模擬乘法器的輸入端，有效提高了檢測(cè)精度。

　　高邊與低邊電流檢測(cè)技術(shù)

　　高邊、低邊電流檢測(cè)是兩種通用的電流測(cè)量方法。高邊檢測(cè)是在電源（如電池）和負(fù)載之間放一個(gè)檢流電阻；低邊檢測(cè)是在接地回路上串聯(lián)一個(gè)檢流電阻，這種方法與高邊檢測(cè)相比有2個(gè)缺點(diǎn)：第一，如果負(fù)載發(fā)生意外短路，低邊電流檢測(cè)放大器將被旁路，不能檢測(cè)短路狀態(tài)；第二，由于在接地回路中引入了所不期望的阻抗，從而把地平面分割開。

圖1 高邊電流檢測(cè)（MAX4211）

　　高邊電流檢測(cè)也有一個(gè)缺點(diǎn)：電流檢測(cè)放大器必需支持高共模電壓輸入，幅度取決于具體的電壓源。高邊檢測(cè)主要用于電流檢測(cè)放大器，而低邊檢測(cè)可采用簡(jiǎn)單的運(yùn)算放大器，只要這個(gè)放大器能夠處理以地為參考的共模輸入即可。

　　利用高邊檢流放大器測(cè)量功率

　　圖1說明了如何利用集成了模擬乘法器的高邊電流檢測(cè)放大器測(cè)量供給負(fù)載的功率（定義為負(fù)載電流與電壓的乘積）。高邊電流檢測(cè)提供與負(fù)載電流成比例的電壓輸出，該輸出電壓加到模擬乘法器，而模擬乘法器的另一個(gè)輸入為負(fù)載電壓。由此，乘法器輸出一個(gè)與負(fù)載功率成正比的電壓。

　　這里的模擬乘法器不僅僅提供功率測(cè)量，還可提供其他用途。如果其外部輸入沒有連接到負(fù)載電壓，也可以把它連接到ADC的基準(zhǔn)電壓。這種情況下，乘法器將不再測(cè)量功率，而是把電流檢測(cè)放大器的輸出電壓與ADC的基準(zhǔn)電壓相關(guān)聯(lián)。

　　圖2說明了這種用法，高邊電流檢測(cè)放大器測(cè)量電池的充電電流。電壓輸出（POUT）加到輸入范圍為0V～VREF的16位ADC。這里，外部穩(wěn)壓源提供VREF，電壓范圍：1.2～3.8V（該例中為 3.8V）。乘法器的輸入范圍是0～1V，可以把3.8V基準(zhǔn)電壓通過R1/R2分壓實(shí)現(xiàn)。假設(shè)R2=1kΩ，R1=2.8kΩ，則VREF=1V。MAX4211的增益為25，則電壓測(cè)量范圍為：0～150mV，輸出電壓（對(duì)POUT和IOUT）范圍為0～3.75V（與流入負(fù)載的電流成正比）。

　　利用電流檢測(cè)放大器的POUT作為輸出，而不是IOUT，其優(yōu)點(diǎn)是：加到ADC的信號(hào)（正比于負(fù)載電流）可以通過VREF降下來。用POUT作為輸出，降低了對(duì)基準(zhǔn)電壓精度的要求，因?yàn)锳DC的數(shù)字輸出取決于輸入電壓與基準(zhǔn)電壓（代表滿量程值）的比。因?yàn)镻OUT是基準(zhǔn)電壓VREF的函數(shù)，“VREF”比消除了基準(zhǔn)對(duì)ADC測(cè)量精度的影響，理論上與基準(zhǔn)電壓及其精度無關(guān)。但是，如果把IOUT接ADC，基準(zhǔn)上的任何誤差都將影響到輸出。

　　式(1）和式(2）分別給出了POUT和IOUT與ADC輸入/滿量程范圍的比值，由此解釋了上述結(jié)論。

POUT/VREF=ILOAD×RSENSE×25×VREF×R2/(R1+R2)/VREF=ILOAD×RSENSE×25×R2/(R1+R2)　　 式(1)

IOUT/VREF=ILOAD×RSENSE×25/VREF　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 式(2)

　　從式(1)可以看出，由POUT輸出，ADC精度將與VREF精度無關(guān)；而從IOUT輸出，將產(chǎn)生一個(gè)與VREF成反比的誤差。

圖2 利用檢流放大器(MAX4211)和帶外部基準(zhǔn)的ADC測(cè)量電池充電電流

　　圖2的整體精度取決于很多因素：電阻精度、放大器增益誤差、電壓失調(diào)、偏置電流、基準(zhǔn)電壓的精度、ADC誤差以及上述參數(shù)的溫漂。另外，圖2給出了提高系統(tǒng)精度的解決方案，從中可以看出利用模擬乘法器和檢流放大器可以消除誤差源之一（基準(zhǔn)電壓誤差）。VREF的精度至少與以下三個(gè)因素有關(guān)：初始誤差（標(biāo)稱值的百分比）、VREF隨負(fù)載的變化、VREF隨溫度的變化。

圖3 對(duì)圖2電路進(jìn)行測(cè)試，POUT/IOUT與VREF的關(guān)系曲線，VSENSE為125mV

　　圖3描述了上述第2個(gè)誤差源。隨著VREF負(fù)載的提高，VREF輸出從3.8V降到1.2V。POUT將隨著VREF變化，變化規(guī)律與之相同。圖4～圖6給出了VCC = 5V、VSENSE保持固定100mV時(shí)，VREF和MAX4211輸出隨溫度的變化。圖2電路的工作溫度從-40℃變化到+85℃，以 20℃為級(jí)差(-20℃、0℃、+25℃、+45℃和+65℃)，圖4曲線顯示了VREF隨溫度變化的結(jié)果。圖5給出了圖2電路中IOUT、IOUT/VREF隨溫度的變化曲線，如果用IOUT輸出驅(qū)動(dòng)ADC，IOUT/VREF與ADC的輸入信號(hào)/滿量程信號(hào)之比成正比。

　　IOUT/VREF之比隨溫度的變化與圖4為基準(zhǔn)（VREF）受溫度的影響而發(fā)生變化。

圖4 圖2電路中，VREF隨溫度的變化曲線

圖5 圖2電路，IOUT、IOUT/VREF隨溫度的變化曲線，VSENSE為100mV

圖6 圖2電路，POUT、POUT/VREF隨溫度的變化曲線，VSENSE為100mV

　　最后，圖6給出了POUT、POUT/VREF隨溫度的變化曲線。從圖6可以看出：POUT/VREF與VREF隨溫度的變化（見圖4）無關(guān)。VREF在0℃和+45℃之間向下彎曲經(jīng)過POUT輸出后進(jìn)行了補(bǔ)償。因?yàn)閂REF沒有出現(xiàn)在POUT/VREF曲線，相應(yīng)地，ADC的輸出也不會(huì)受VREF隨溫度改變的影響。

　　結(jié)論

　　集成了模擬乘法器的高邊電流檢測(cè)放大器通常用來測(cè)量負(fù)載功率。不過，這種集成乘法器也可以提供另一種功能。電流檢測(cè)放大器可以連接內(nèi)置或外置基準(zhǔn)的ADC。兩種情況下，整體測(cè)量精度主要與基準(zhǔn)電壓的精度有關(guān)。如果把負(fù)載電流與基準(zhǔn)電壓VREF相乘后輸出到ADC，將可以消除基準(zhǔn)電壓的誤差。采用這種設(shè)計(jì)，即使是使用低成本、低精度的基準(zhǔn)電壓，也可以提高負(fù)載電流的測(cè)量精度。