通信基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備中的電流感測應用

本文從電流檢測 (CS) 的角度重新分析了蜂窩無線基礎(chǔ)設(shè)施 (WI) 中的主要電子終端設(shè)備。另外還探討了此類設(shè)備中的幾種 CS 應用。

電源塊中的電流檢測

如圖 1 所示，WI 設(shè)備的電源來自于公用電網(wǎng)或太陽能，有時還會將兩者結(jié)合使用。電源通常都依賴電池儲能系統(tǒng)，以便在斷電期間能夠不間斷地提供服務，尤其是在偏遠地區(qū)。由于物理上的可達性或經(jīng)濟上的可行性，這些地區(qū)無法僅依靠電網(wǎng)電力。

圖 1. WI 電源方框圖

電源塊可以集成到 WI 終端設(shè)備中，也可以是獨立模塊。不管具體的實現(xiàn)為何，通常都需要一個智能電源管理系統(tǒng)來為電池充電并在不同的電源之間提供無縫切換。在此類電源管理系統(tǒng)中，電流和電壓感測是一項不可或缺的功能。

電流檢測可以在高側(cè)或低側(cè)實現(xiàn)。為了防止出現(xiàn)故障接地，通常需要 INA240 或 INA241A 等基于分流器的專用高壓電流檢測放大器 (CSA)。TMCS1123 或TMCS1101 等磁性電流傳感器憑借固有的電隔離特性，成為高壓應用的理想選擇。TMCS1123 可提供環(huán)境磁場抑制、快速過流檢測，并能夠提供 75ARMS 連續(xù)電流，非常適合接入電網(wǎng)或太陽能。

負載點電流檢測

典型的 WI 電子系統(tǒng)由具有 12V 至 48V 等電壓范圍的直流母線供電。低電源軌源自總線電壓。

這些低電壓軌滿足一組特定的要求并通常位于所支持負載的附近，因此稱為負載點 (POL) 電源。根據(jù)測量的重要性或信息量，建議監(jiān)測一個或多個此類POL 電源中的電流或電壓。在這種情況下，對 CSA 的主要要求可能包括精度、速度、動態(tài)范圍以及相關(guān)分流電阻器上的功率損耗等。

圖 2. 負載點電流檢測選項

如圖 2 所示，電流可以使用模擬或數(shù)字 CSA 并通過外部或集成式分流電阻，在負載的任一端進行檢測。

CSA 提供了在成本、布板空間和性能方面有參考價值的匹配電阻器增益網(wǎng)絡(luò)。大多數(shù) CSA 都具有 10 至1000 的固定增益。有些 CSA 提供可配置的增益。例如，INA225 具有可通過兩個數(shù)字控制引腳配置的增益，而另一些 CSA 具有可通過外部電阻器配置的增益，例如 INA139。

當選擇集成模數(shù)轉(zhuǎn)換 (ADC) 和分流電阻器的 CSA 時，系統(tǒng)集成會得到進一步改進。EZShunt? 技術(shù)將分流電阻器集成到了器件的引線框中，這樣通常可減小電流檢測電路的總體外形尺寸。INA700 是一款超小型晶圓芯片級數(shù)字功率監(jiān)測器，具有 40V 共模電壓范圍和 2mΩ引線框電阻，因此可支持 10ARMS。INA780A 是一款稍大的 EZShunt? 產(chǎn)品，采用 QFN 封裝，共模電壓范圍為 85V，引線框電阻為 400μΩ，因此可支持75ARMS。

在為 POL 測量選擇 CSA 及關(guān)聯(lián)的分流電阻器時，首先要考慮的主要因素是共模電壓、電流范圍、精度和速度。此外，如果需要過流保護 (OCP)，那么集成快速響應比較器的 CSA 通常是理想選擇，其中指定了失調(diào)電壓和傳播延遲等系統(tǒng)參數(shù)。與分立式元件相比，此類CSA 可幫助消除一些不確定性，因而能夠簡化設(shè)計。

若要監(jiān)測多個 POL，或許可以使用 INA4290 或INA4180 等多通道 CSA，因為這些放大器提供四個模擬輸出通道。當設(shè)備中存在微控制器或 FPGA 時，則通常會包含一個 ADC 通道以及一個 I2C 等數(shù)字總線。在這種情況下，可以實現(xiàn)一個模擬或數(shù)字輸出 CSA 作為 POL 監(jiān)測器。另一個選擇是使用 INA3221 等多通道數(shù)字監(jiān)測器，這樣既可以釋放控制器 ADC 通道，又能充分利用現(xiàn)有的 I2C 總線。此器件提供了多個警告和報警信號，以便在發(fā)生故障時快速做出響應，另外還提供了三個獨立通道的電流、電壓或功率信息。

功率放大器中的電流檢測

功率放大器 (PA) 的偏置電流可以根據(jù)最終應用的需求、調(diào)制方案和工作級別進行調(diào)整。圖 3 展示了一種具有電流檢測功能的典型 PA。

PA通常采用硅 LDMOS 或 GaN 技術(shù)構(gòu)建。無論是從PA 操作的角度來看，還是從總體能效管理的角度來看，電流檢測在 PA 應用中都非常重要。在相同的偏置電壓下，PA 偏置電流會因器件差異而有所不同。另外，偏置電流會隨溫度而變化。因此，為了讓 PA 控制器能夠精確地控制偏置電流，必須知道電流和溫度信息。偏置電流信息是提高系統(tǒng)效率所必需的，因為總系統(tǒng)功耗中約有 50% 是 PA 本身消耗的。

AMC7836等集成式功率放大器監(jiān)控系統(tǒng)可以簡化 PA電路設(shè)計。如前所述，由于器件存在自然差異，因此有時只知道柵極電壓還不足以實現(xiàn)精確的偏置電流控制。當控制環(huán)路中需要電流檢測功能時，可以使用單獨的高壓 CSA（例如 INA290 或INA281）。

AMC7834 等功率放大器監(jiān)控系統(tǒng)是另一個集成電流檢測功能的選項。借助這類設(shè)計，可以進一步縮小布板空間。

圖 3. PA 偏置和電流檢測

備選器件建議

TI 提供了適合 WI 終端設(shè)備的全系列 CSA 和磁性傳感器，從高壓電源電流和 PA 電流檢測到通用 POL 電流監(jiān)測，應有盡有。高壓 INA310A 還提供了集成式比較器和參考輸出，以便滿足 OCP 要求。對于需要出色精度的應用，具有 nA 級輸入偏置電流的 INA190 系列器件會是不錯的選擇。在檢測電流很小的情況下，這類器件非常重要。在這些器件中，有些提供了使能引腳來進一步降低功耗；有些則提供了 WCSP 封裝選項，用以優(yōu)化布板空間。對于具有低共模電壓要求的應用，INA180 提供了速度和整體性能值。INA301 系列器件具有集成式快速比較器和高速放大器。根據(jù) OCP 的需求，可以提供這兩種輸出。

表 1. 備選器件建議