新的功率檢測電流斷路器

引言

筆記本電腦中的主電源電壓不插墻上電源時會下降，因為電池電壓一般低于來自墻上適配器的電壓。甚至，鋰離子電池電壓也從4.1v (充滿電)到低于3v (接近放完電)變化。因此，功率檢測電路斷路器對于像筆記本電腦這樣的系統(tǒng)是更可取的，因為在這些系統(tǒng)中功率受限制、電壓源不是恒定的。 功率檢測器檢測電流的工作原理

提供給負載的功率等于負載電壓乘負載電流。因此，功率監(jiān)控集成電路必須包括一個電流檢測電路和一個模擬乘法器。高端電流檢測器提供與負載電流成正比的輸出電壓，負載電流乘負載電壓等于負載功率(圖1)。

硅高端電流檢測放大器

表1示出實現(xiàn)電流檢測電路斷路器的幾種方法。保險絲，可復位保險絲和雙層金屬片，是電熱型的。它們都帶有與負載串聯(lián)、阻值已知的金屬片，當有電流通過時，溫度將升高。當電流達到危險(斷路)電平時，靠保險絲材料熔化，急劇增大阻值(可復位保險絲)或雙金屬片加熱導致金屬彎曲斷開開關使電路斷開。電磁電路斷路器的工作類似于雙層金屬片斷路器，所不同的是電磁產(chǎn)生的機械動作替代變熱。

表1所列4個電流開關電路斷路器不具有精確的電流檢測，它們的斷路點精度較差。相反，電流傳感器能提供較好的電流檢測精度，而且可容易設計為電路斷路器。

電流變壓器是電流傳感器類型，它一般體積大且比較復雜。它只適合于ac信號，其變壓器初級與電源串聯(lián)，而次級提供正比于電流的電壓輸出。

霍爾效應和大磁阻(gmr)傳感器實際上是磁場傳感器。因為任何承載電流的導線或pcb引線都會產(chǎn)生磁場，所以，磁場感器對于檢測電流是有用的。這類傳感器也提供電隔離，因為它們不與承載電流的導體接觸。傳感器輸出電壓不僅依賴于所承載的電流，而且也依賴于承載電流的pcb引線相對于傳感器的物理位置。因此，為了達到良好的精度，通?；魻柡蚲mr傳感器需要定標，定標會增加復雜性和成本。這類傳感器對來自相鄰電路的磁干擾是敏感的。

電流鏡為測量電流提供了另一種方法。它由兩個不同大小連接成電流鏡配置的匹配晶體管組成(圖2)。副分支鏡主分支電流例如，以10:1的比值鏡像。因此，可以用副分支中的比例電流測量主分支中的電流。電流鏡檢測技術具有寬動態(tài)范圍高達60)，但一般限于小電流應用。

對于電流鏡，mosfet必須工作在飽和區(qū)。跨接在漏極和源極上的電壓一般大于1v。與其他技術中電壓降不大于0.1v相比，1v壓降過大。因此，主電流應限制到不大于10ma，如實例中測量光電二極管的情況。電流鏡技術對于小電流應用很適合，但它對于大電流、低電壓(包括電池供電)應用不具有競爭力。

對于dc應用(如電池)，最簡單的方法是根據(jù)歐姆定律v = ir監(jiān)視電流。即跨接在檢測電阻上的電壓與通過的電流是線性比例關系。基于電阻的電流傳感器一般需要一個放大器來提供輸出電壓到外部電路。這樣的放大器容易在工廠中調(diào)節(jié)達到1%或更好的精度(圖3)。此電路稱之為高端電流檢測放大器，因為它測量電壓源中的電流，所以，對負載地通路無干擾。

高端電流檢測放大器在電池(電壓源端)和負載之間放量電流檢測電阻。這種配置避免地平面上的附加電阻，大大地簡化了布線并改善了整個電路的性能。通過檢測電阻(rs)的電流，在此電阻上產(chǎn)生一個壓降。運放感測的電壓驅(qū)動mosfet晶體管來吸收通過r的電流。r上的壓降等于檢測電阻上的壓降，因此：

kisrs = ior,
io = kis(rs/r)和
vo = kis(rs/r)ro.

傳感器輸出電流正比于負載電流，通常，電流鏡用于將輸出電流提高k倍。若需要電壓輸出，則在電流輸出和地之間加一個輸出電阻(ro)，把電流轉(zhuǎn)換為電壓?？梢栽诠S調(diào)節(jié)電阻r和ro，以達到1%或更好的電流檢測精度。

功率監(jiān)測器
用一個精確的低成本電流傳感器來測量電流，用電流乘電壓就獲得功率測量。一個低成本全硅功率傳感器由集成電流傳感器和模擬乘法器組成(圖1b)。乘法器工作在第1象限，即輸入和輸出都是正電壓。只需要單電源電壓。如同電流傳感器，模擬乘法器也可在工廠調(diào)節(jié)來達到良好的精度。
例如，max4210功率監(jiān)控器ic設計用來監(jiān)控筆記本電腦中的電池。功率傳感器的共模電壓范圍(4v至28v)適用電池電壓變化。為了測量電流，在電源(電池)和負載之間接入一個檢測電阻。然后，電流檢測放大器饋入一個與負載電流成正比的電壓到模擬乘法器的一個輸入。乘法器的另一個輸入連接到連接負載的電壓分壓器(負載電壓必須用分壓器降壓，因為乘法器的最大輸入電壓是1v)。這兩個電壓相乘產(chǎn)生正比于負載功率的輸出電壓。

為了達到功率測量所希望的精度，需要工廠調(diào)節(jié)。圖4示出工廠調(diào)節(jié)后max4210的典型功率測量精度與檢測電壓的關系曲線。對于50mv至150mv的vsense，其誤差小于1%。對于低于50mv的檢測電壓測量誤差增加，這是由于電流檢測放大器中的輸入偏移所致。因此，選取檢測電阻來保證跨接在檢測電阻上的壓降在最大電流時處在50mv和150mv之間。例如，最大所期望負載電流是10a，則選擇10m檢測電阻，所產(chǎn)生滿量程電壓是100mv。

電子功率檢測斷路器

在電源電壓變化或電源功率有限制的系統(tǒng)中，檢測功率故障的電路斷路器所提供的保護比只檢測電流故障要好。這種系統(tǒng)包括筆記本電腦，智能電池，高可靠性電源等。功率檢測ic (如max4211)是為電路故障保護設計的。

功率檢測電路斷路器對于保護電池短路和過功率故障是有用的，當斷路器檢測到功率故障時便斷開到負載的電流(圖5)。一旦檢測到故障，mosfet (m1)關閉直到下按手動復位按鈕或加邏輯高電平到cin2輸入為止。也可以靠周期性變化的輸入功率復位電路斷路器，這導致lf引腳變低態(tài)并不鎖定比較器輸出out1。 連接到比較器的rc網(wǎng)絡r3-r4-c1在電壓瞬變期間防止故障檢測結(jié)果的變化。

結(jié)束語

對于終端電壓隨電池放電而變化的電池應用，功率監(jiān)控比電流監(jiān)控優(yōu)越和安全。新型ic集成了所必須的大多數(shù)元件，使其成為成本低、性能高的全硅功率傳感器。這種傳感器在工廠調(diào)節(jié)可達到優(yōu)于1%精度。至今，能夠像max4210功率檢測電路斷路器一樣，把內(nèi)部比較器和基準與外部mosfet開關結(jié)合在一個器件內(nèi)部是并不容易實現(xiàn)的。