精準(zhǔn)、低功耗的遠(yuǎn)程檢測理念

這里展示的遠(yuǎn)程檢測實例具有高可靠性、易連通性和超低功耗的特性。這些電路主要面向需要穩(wěn)定通信和最低限度的電池維護(hù)的工業(yè)環(huán)境。本解決方案結(jié)合了近年來低功耗、高精度放大方面的研究進(jìn)展，兼具同等的低功耗、高可靠性無線Mesh網(wǎng)絡(luò)功能。支持實現(xiàn)這些解決方案的是零漂移、低輸入偏置放大器LTC2063和LTP5901-IPM，前者最高以2 μA電流運行，后者在睡眠模式下消耗電流不到1.5 μA。這些器件的功耗足夠低，可以采用一塊由銅和鋅電極（每個四平方英寸），以及由檸檬內(nèi)部物質(zhì)形成的電解質(zhì)組合而成的電池供電。

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)

工業(yè)環(huán)境中通過無線網(wǎng)絡(luò)實施和檢索的測量很少需要高速度，但它們通常需要高可靠性和安全性，此外還需要低功耗運行，以最大限度地延長電池的運行時間。LTP5901-IPM在802.15.4e無線網(wǎng)絡(luò)中形成一個節(jié)點或者一個SmartMesh? IP Mote。LTP5901-IPM集成了一個10位、0 V至1.8 V ADC，以及一個內(nèi)置ARM? Cortex?-M3 32位微處理器，可以通過簡單編程實施檢測。采用這個終端是為了實現(xiàn)安全性、可靠性、低功耗、靈活性以及可編程性。

四種檢測應(yīng)用

總的來說，以下這些電路設(shè)計并不需要高深的火箭知識。但是，它們整潔、高效，是針對特定應(yīng)用定制的。這些設(shè)計不需要多復(fù)雜，事實上，復(fù)雜的設(shè)計只會增加成本和可靠性風(fēng)險。

每個電路的輸入中都包含一個傳感器，通過處理傳感器輸出來產(chǎn)生輸出電壓。使用LTP5901-IPM 10位ADC作為輸入，每個電路都試圖映射輸入，覆蓋0 V至1.8 V之間的大部分范圍。

基本的電池電壓檢測

圖1.簡單的電池電壓檢測。

圖1展示了一種典型的同相整體增益負(fù)反饋運算放大器配置，可以檢測分壓。LTP5901輸入的ADC范圍為0 V至1.8 V。R1和R2以最小的靜態(tài)電流降低電池電壓，以延長電池壽命。LTC2063的輸入偏置電流非常低，即使這些高電阻值也不會影響最終的10位ADC的精度。LTC2063消耗最小的電源電流，提供隨時間和溫度變化而呈現(xiàn)的零漂移優(yōu)勢。

電流檢測

圖2.電流檢測電路。

電池供電和隔離電子設(shè)備的出色之處在于：它可以在任何位置設(shè)置接地。在最方便的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，我們可以在不喪失通用性的情況下檢測電流，同時將終端放置在與本地接地相關(guān)的任何位置。對于單極電流，例如4 mA至20 mA的工業(yè)環(huán)路，人們可以使用傳統(tǒng)的低側(cè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來安全檢測與本地接地相關(guān)的電流。圖2展示的是電流流過一個非常小的電阻R2，由此產(chǎn)生檢測電壓。因為放大器的零漂移、極低的失調(diào)電壓性能等原因，這個輸入電壓可能非常小。電路所示經(jīng)由501 mΩ檢測電阻產(chǎn)生的輸入的增益增高101 V/V。在20 mA時，VOUT是1.012 V?？梢赃x擇其他值來最大程度地使用ADC的1.8 V范圍。

電阻R4相對較低，是LTC2063輸入電容的低阻抗分流器。因此，較大的R1反饋電阻與輸入電容之間的相互作用不會起到穩(wěn)定作用。

構(gòu)建的電路經(jīng)過優(yōu)化之后，用于測試0 mA至35 mA電流、0 V至1.8 V ADC的映射范圍。

輻照度計

圖3.利用太陽能電池進(jìn)行短路輻照度測量。

圖2所示的電路也可以用來測量太陽能電池的短路電流。在短路電流模式下，硅和其他太陽能電池的電流與輻照度呈高度線性關(guān)系。短路電流是0 V太陽能電池的電流。圖3中的電路并沒有保證太陽能電池在最大電流時準(zhǔn)確達(dá)到0 V；但是，即使在全日光下為20 mA，電壓也僅為10 mV。太陽能電池上的10 mV電平在其I-V曲線上實際就是短路。

我們可以以互阻放大器(TIA)作為替代。TIA可以強制讓太陽能電池達(dá)到0 V，并測量電流。這種電路存在的問題在于，在整個輻照度范圍內(nèi)，都是由運算放大器為太陽能電池提供電流。如果對于遠(yuǎn)程檢測電路，最重要的是最小化功耗，那么由運算放大器為電池提供20 mA是不可行的。

考慮到需要保持近0 V，應(yīng)使用一個小型檢測電阻。對位置遙遠(yuǎn)、由電池供電的小電壓實施檢測再次表明，需要采用高精度、低功耗的功率放大器，例如LTC2063。

太陽能裝置所需的就是這類物理布局，即需要實施零溫度漂移測量的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)。幸運的是，在短路條件下，硅光電二極管隨著溫度的變化相對穩(wěn)定。對于環(huán)境溫度不斷變化的大型安裝場地而言，采用LTC2063和LTP5901-IPM，再加上硅太陽能電池，所構(gòu)成的簡單且可靠的設(shè)計是非常理想的解決方案。

采用熱電偶測量溫度

圖4.熱電偶檢測電路。

熱電偶電壓可以是正壓也可以是負(fù)壓。圖4所示的電路融合采用微功率基準(zhǔn)電壓源和微功率放大器來檢測極小的正負(fù)電壓。幸運的是，如果熱電偶與被測器件(DUT)電氣隔離，則可以置于任何方便的電壓域中。圖4中的示例使用LT6656-1.25，在1.25 V時偏置熱電偶。電路輸出是基于1.25 V基準(zhǔn)電壓源的小熱電偶電壓的高增益版本。對于這種配置，0 V至1.8 V的ADC范圍相當(dāng)合理。如果不使用零漂移、低失調(diào)放大器，則無法實現(xiàn)2000 V/V左右的極高增益。

結(jié)論

極低功耗、精準(zhǔn)的遠(yuǎn)程檢測絕對是可行的。本文的示例顯示，將低功耗、高精度放大器與可編程片上系統(tǒng)無線Mesh節(jié)點相結(jié)合是相當(dāng)簡單的。

作者簡介

Aaron Schultz是LPS業(yè)務(wù)部的應(yīng)用工程經(jīng)理。他曾在設(shè)計和應(yīng)用系統(tǒng)工程領(lǐng)域擔(dān)任多個職務(wù)，接觸過眾多主題，包括電池管理、光伏、可調(diào)光LED驅(qū)動電路、低電壓和高電流DC-DC轉(zhuǎn)換、高速光纖通信、高級DDR3存儲器研發(fā)、定制工具開發(fā)、驗證、基本模擬電路等，他職業(yè)生涯的一半貢獻(xiàn)給了功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域。他1993年畢業(yè)于美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)，1995年畢業(yè)于MIT。晚上，他喜歡彈爵士鋼琴樂。聯(lián)系方式：aaron.schultz@analog.com。