利用簡單的電路設(shè)計簡化電流監(jiān)控

使用固定量程的DMM令人沮喪，但這個簡單的設(shè)計實(shí)例可以實(shí)現(xiàn)單一量程內(nèi)從數(shù)μA到超過100mA的電流監(jiān)控。

本設(shè)計實(shí)例已被證明非常有用，而且非常簡單。只需三四個元件，就可以在單一量程內(nèi)監(jiān)控從數(shù)μA到超過100mA的電流。

我開發(fā)了一塊基于PIC的電路板，需要監(jiān)視它從兩粒AA電池抽取的電流。雖然這塊電路大多數(shù)時間都處于待機(jī)狀態(tài)，其升壓轉(zhuǎn)換器的30μA靜態(tài)電流占功耗的主要部分，但它可以快速經(jīng)歷突發(fā)的檢測、顯示和發(fā)送狀態(tài)，抽取的電流在8mA到100mA之間。使用固定量程的DMM十分令人沮喪，自動量程也由于快速循環(huán)時間和很短的工作時間讓我頭疼。下述方法非常有用。

正如二極管公式IF ≅ I0 • exp(eVF/kT)定義的那樣，二極管上的電壓隨著流經(jīng)的對數(shù)電流不斷上升。其中IF是正向電流，IO是反向飽和電流，e是電荷(1.602×10-19 C)，VF是正向電壓，T是溫度(K)，k是波爾茲曼常數(shù)(1.380×10-23 J/K)。

根據(jù)我們的目的，可以從中提取出以下公式：

VF ∝ logIF (在給定溫度時)

分流二極管

現(xiàn)在，讓我們并一個帶測量儀表的二極管。在電流很低時，它會指示流經(jīng)儀表而不是二極管的毫安級電流;而在大電流時，它會顯示二極管上的電壓，以及由此得出的電流對數(shù)(將二極管想像為一個自適應(yīng)分流器)。因此儀表刻度的底部是相當(dāng)線性的，頂部具有足夠的對數(shù)性質(zhì)，中間則是過渡階段，因此整個范圍非常有用。

如圖1所示，使用一個肖特基整流管、一個100μA/1.7kΩ儀表和一個合適的串聯(lián)電阻就可以在單一量程內(nèi)監(jiān)控從10μA到超過100mA的電流，其指示的速度僅限于儀表的擺速。

圖1：一個肖特基整流管、一個100μA/1.7kΩ的儀表和一個合適的串聯(lián)電阻

這種簡單電路存在的問題常常比元件數(shù)量還多!除了需要高精度的校準(zhǔn)過程，這個電路還有兩個主要缺陷：串聯(lián)壓降和溫度穩(wěn)定性。二極管的壓降高達(dá)400mV，因此監(jiān)控時最好使用新的或者充滿電的電池，否則你的UUT可能顯示電池電量低。也可將這個電路想像為一個方便的低電壓檢測測試電路，這樣也許要增加一個短路開關(guān)。

增加額外的二極管

在刻度底部，幾乎所有電流都流經(jīng)儀表，受限于儀表測量機(jī)構(gòu)的機(jī)械和磁溫度系數(shù)，測量的溫度系數(shù)很低。但在較大電流時，我們會看到二極管上有壓降，當(dāng)然正如二極管公式預(yù)示的那樣，這個壓降會以大約2mV/K的速度下降。這不僅影響對數(shù)律的斜率，也影響線性到對數(shù)過渡點(diǎn)。此外，儀表繞組占總串聯(lián)電阻的很大一部分，銅在室溫時的TCR為3930ppm/K。圖2顯示了1N5817分別在0℃、25℃和50℃時的偏差與電流關(guān)系曲線。這些曲線考慮了測量電路的TCR和二極管的溫度系數(shù)，但忽略了后者的任何自熱效應(yīng)。在較穩(wěn)定的溫度條件下則沒有任何問題。

圖2：偏差與電流曲線

主要存在于D1中的自熱實(shí)際上也沒有問題。假設(shè)流過的電流是100mA，D1的壓降是400mV：那就是40mW。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊，帶稍長引腳和大量散熱銅片的D0-41 1N5815的基本熱阻是50K/W。將這些數(shù)據(jù)一起考慮進(jìn)去，100mA時結(jié)點(diǎn)的溫升才2°，相當(dāng)于VF降低約4mV，或滿刻度時約1%的誤差。試著將二極管保持為短的引腳和高的熱質(zhì)量。注意在導(dǎo)通的時候可能有很高的瞬態(tài)電流，因?yàn)檫@些會導(dǎo)致誤差，直到結(jié)點(diǎn)溫度再次冷卻下來。

圖3：增加二極管后的改進(jìn)版本

圖3增加了一個與儀表測量電路串聯(lián)的額外二極管，是抵消溫度系數(shù)的改進(jìn)版本;圖4顯示了這個電路的曲線。注意，現(xiàn)在曲線的大部分是對數(shù)形式，那個額外的二極管有效地抑制了初始的線性區(qū)域。然而，該二極管的選擇相當(dāng)關(guān)鍵，因?yàn)镈2的正向電壓應(yīng)該稍低于D1，但其它特性應(yīng)該匹配。這有點(diǎn)令人困惑。

圖4：增加了一個二極管后的偏差與電流曲線

LTspice所扮演的角色

LTspice來拯救我們了!我有幸碰到了D1采用10MQ060N和D2采用BAT54的組合——這是我仿真的第一對器件。兩者都很便宜，由LTspice建模，因此是推薦的器件。一對10MQ060N幾乎等同地工作(但一對BAT54則不能)。與其它器件的組合大多數(shù)時候會顯示更差的溫度變化和奇怪的指示，因此在搭建電路之前先要建模。如果儀表的靈敏度和電阻合適的話，R1可以省略。D1和D2的熱性能要一致，這樣它們才能彼此跟蹤溫度的變化。

硅P-N結(jié)二極管一般具有非常直的(log IF)/VF關(guān)系，肖特基的不直。這是因?yàn)樗鼈兊慕Y(jié)構(gòu)本身存在較高的串聯(lián)電阻，在很低的電流時兩者的關(guān)系更接近線性而非對數(shù)，并且也有保護(hù)環(huán)來控制可以形成與肖特基結(jié)點(diǎn)并聯(lián)的P-N二極管的電位梯度，從而軟化大電流時的曲線。因此在實(shí)際使用中，精確的對數(shù)律會隨電流和器件類型發(fā)生改變。雖然對于第一個版本來說，一個用過的二極管可能就可以了，但鑒于這種電路不可避免的不精確性，對于雙二極管設(shè)計還是需要精挑細(xì)選。

因?yàn)槲矣幸缓幸郧傲粝聛淼谋阋说?00μA/1700Ω指示器，剛好適合35mm x 14mm孔徑，所以就用它們了。這類指示器很常見，非常緊湊也非常實(shí)用，而且它們的構(gòu)造、線性度和單元之間的一致性也較好。

圖5 圖6：源自監(jiān)視器、電池、固定和可變電阻以及DMM組合的校準(zhǔn)點(diǎn)(右)。盡管儀表不是很好，但基準(zhǔn)點(diǎn)(左)很好地反應(yīng)了實(shí)際情況。

圖5中使用的校準(zhǔn)點(diǎn)是通過安排監(jiān)視器、電池、固定和可變電阻以及DMM的系列組合產(chǎn)生的。現(xiàn)有的測試刻度在合適的點(diǎn)都做了標(biāo)記，然后被消除和掃描，掃描被用作最終版圖的樣板。仿真結(jié)果用于產(chǎn)生圖6中的基準(zhǔn)點(diǎn)，結(jié)果很好地反應(yīng)了現(xiàn)實(shí)，盡管儀表較差。這些刻度可以節(jié)省時間，但不像自己新做的那樣精確(顯然這些測量結(jié)構(gòu)需要不同的刻度)。調(diào)整R1可以微調(diào)校準(zhǔn)(儀表規(guī)定為±20%)。兩種刻度都考慮了儀表結(jié)構(gòu)的非線性。

注意，我把這個稱為“監(jiān)視器”而不是“儀表”，后面的用語對我來說應(yīng)該具有更好的精度。不管怎樣，現(xiàn)在我都將這些電路嵌入進(jìn)了我的大多數(shù)開發(fā)項(xiàng)目甚至生產(chǎn)測試裝置中，它們對于查找各種故障和問題很有幫助，包括從電源線短路到錯誤編碼的上拉引腳等。

為了最終方便電流的監(jiān)控，只需將合適的二極管與電源的負(fù)端串聯(lián)在一起然后監(jiān)視它的正向壓降就可以了。經(jīng)過一些簡單的校準(zhǔn)后，你就可以與想要探測的其它參數(shù)完全同步地監(jiān)控供電電流。