在本設計方案中，介紹了MAX40080（精密、快速采樣速率、數(shù)字檢流放大器）的主要特性，并結(jié)合它們?yōu)楦餍懈鳂I(yè)的實際應用帶來的好處。具體而言，該設計解決方案描述了快速的內(nèi)部ADC采樣速率、器件的智能模式以節(jié)省功耗，以及可減小失調(diào)誤差的可編程輸入范圍。

介紹

數(shù)字電流檢測放大器（CSA）在過去幾年中在廣泛的應用中變得非常流行。除了測量電流外，數(shù)字CSA還使用測量電壓，使用內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）對數(shù)據(jù)進行數(shù)字化，并以數(shù)字格式報告數(shù)據(jù)，通常為I2C 或 SPI。一些CSA還計算功率作為電流和電壓的數(shù)字乘法。

與傳統(tǒng)的模擬輸出CSA相比，其優(yōu)勢顯著。首先，有些系統(tǒng)必須在不同點測量電流，并將所有這些測量值連接到一個公共的電流。2C 或 SPI 總線在微控制器 （MCU） 上保存多個 GPIO 引腳。數(shù)字CSA還可以將ADC保存在MCU內(nèi)部，使其釋放出來用于測量系統(tǒng)電流和/或電壓以外的目的。最后，電流測量通常發(fā)生在系統(tǒng)中物理上遠離MCU的點。在這種情況下，傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)比檢測遠距離模擬電流或電壓更可靠且抗噪聲。

快速采樣率可準確監(jiān)控電流浪涌

市場上的大多數(shù)數(shù)字CSA都集成了低采樣速率和低帶寬的ADC，通常分別在低千采樣率（ksps）和千赫茲（kHz）范圍內(nèi)。這使得它們適用于電流不經(jīng)常變化的應用。但是，如果電流突然變化，系統(tǒng)監(jiān)控將錯過它。相比之下，MAX40080集成了13位ADC，可編程采樣速率可高達1Msps。

以下是兩個實際應用示例，其中快速采樣率提供了顯著的優(yōu)勢。

在第一個例子中，快速采樣率數(shù)字CSA測量快速電流浪涌并優(yōu)化大型處理器的系統(tǒng)性能。它監(jiān)控功耗，以最大限度地提高具有多個 CPU、內(nèi)存、GPU 等的系統(tǒng)的性能。它通過監(jiān)控電流浪涌并快速采取行動來觀察系統(tǒng)中哪些模塊最耗電。

在第二個示例中，快速采樣率數(shù)字CSA可實現(xiàn)鋰離子電池的安全快速充電。在充電過程中，金屬鋰（鋰枝晶）（1）在負極上形成，最終成為電池故障的來源。為了防止樹突形成，電池充電器使用一系列電流脈沖而不是固定的穩(wěn)定電流。快速采樣率數(shù)字CSA能夠精確測量這些電流脈沖。

MAX40080電流測量具有高達50kHz的信號帶寬。當采樣速率高達1Msps時，可以使用集成的移動平均數(shù)字濾波器對電流和電壓測量進行過采樣并提高其精度。這種濾波器可通過 I 進行編程2C 命令寄存器，它們的范圍從平均 8 個樣本到 128 個樣本，中間的步進增量為 x2（8、16、32、64 和 128 個樣本之間的平均值）。平均過程降低了本底噪聲并提高精度。（2）

智能模式可實現(xiàn)顯著的節(jié)能效果

MAX40080具有快速采樣速率和高性能，當器件完全工作時，需要2.7mA的電源電流。與往常一樣，速度和性能是以功耗為代價的。然而，該器件提供智能模式，可有效降低功耗，使MAX40080甚至適用于平板電腦、智能手機和筆記本電腦/筆記本電腦等便攜式消費類應用。

首先，有一個I2C 可編程喚醒電流門限。MAX40080編程為低功耗模式，電流消耗僅為52μA。在這種模式下，除了每50ms進行一次短暫喚醒以進行一次電流測量并將其與喚醒閾值進行比較外，大多數(shù)功能都進入睡眠狀態(tài)。如果此類測量低于喚醒閾值，器件將保持低功耗模式。只有當測量值高于閾值時，設備才會自動切換到所有功能都處于活動狀態(tài)的活動模式。這種智能模式在只關心監(jiān)控系統(tǒng)中不需要的過流情況的應用中非常有用。在這種情況下，喚醒門限可以設置為略低于過流門限，從而節(jié)省大量系統(tǒng)功耗。當電流超過喚醒門限時，器件進入活動模式，當超過過流門限時，MAX40080將在ALERT_輸出端產(chǎn)生中斷報警。

其次，I 上存在內(nèi)部超時2C，如果長達一分鐘沒有收到主機命令，MAX40080將自動進入待機模式，功耗降至2.7μA。

最后，MAX40080具有四種額外的工作模式，稱為“選擇性有源模式”，工作在固定的低采樣速率（4sps至1/4sps），功耗極低。該器件可以編程為在預計不會產(chǎn)生快速電流浪涌的時段進入這些模式。例如，在夜間的數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)中。請注意，即使在這些“選定的活動模式”下，過流閾值和報警生成仍然有效。如果發(fā)生過流情況，仍會被檢測到，但不會像器件處于正常活動模式且采樣速率快那樣快。

圖1.MAX40080智能模式最大限度地降低了功耗。

可編程輸入范圍和極低失調(diào)提高了系統(tǒng)精度

在需要測量兩個不同電流電平的應用中，最低電平的精度通常會受到影響，因為它受到電流檢測放大器和隨后ADC失調(diào)電壓的限制。

一個實際的例子是使用集成BLE的MCU的物聯(lián)網(wǎng)傳感器系統(tǒng)，其中MCU定期喚醒，進行一次測量并以無線方式傳輸。當MCU處于活動狀態(tài)時，系統(tǒng)電流在幾十毫安的范圍內(nèi)，但是當MCU休眠時，系統(tǒng)電流下降到微安范圍內(nèi)。由于這兩個電平相差幾個數(shù)量級，睡眠電流測量受到失調(diào)限制。

MAX40080具有±10mV或±50mV的可編程輸入范圍，可通過I選擇。2C 端口。在內(nèi)部，這些范圍分別對應于125V/V和25V/V增益選項。這兩個增益選項提供了測量大電流和小電流的靈活性，同時通過降低ADC失調(diào)誤差來保持系統(tǒng)精度。事實上，由于采用了兩種增益選項，大電流和小電流都可以接近ADC滿量程范圍，從而使ADC失調(diào)誤差可以忽略不計。

MAX40080的失調(diào)電壓貢獻已經(jīng)很低，在25°C時最大電壓僅為25μV，因此可以使用小電阻值，從而降低功耗。

結(jié)論

MAX40080數(shù)字CSA是一款多功能器件，在廣泛的市場應用中占有一席之地。數(shù)字輸出具有比模擬輸出更高的抗擾度，并允許在同一數(shù)字總線上連接多個電流檢測器件。這釋放了MCU上的GPIO引腳，也釋放了ADC通道。

由于具有快速采樣速率，MAX40080可以測量電流浪涌和快速瞬變，例如具有強大處理器的計算系統(tǒng)和電池充電器中的電流浪涌和瞬變。同時，它還具有智能模式，可降低功耗，并使該設備對智能手機、平板電腦和筆記本電腦等電池供電系統(tǒng)具有吸引力。可編程輸入范圍和極低的電壓失調(diào)提高了大電流和小電流測量的精度。

審核編輯：郭婷