本文將介紹具有快速采樣速率的高精度數(shù)字電流檢測放大器MAX40080的關鍵特性，并指出這些關鍵特性為各種行業(yè)的實際應用帶來的優(yōu)勢。文中將重點介紹內(nèi)部ADC的快速采樣速率、可節(jié)省功耗的智能模式及可降低失調(diào)誤差的可編程輸入范圍。

簡介

過去幾年中，數(shù)字電流檢測放大器(CSA)在各種應用中越來越受歡迎。除了測量電流，數(shù)字CSA還可用于測量電壓，通過內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)對數(shù)據(jù)作數(shù)字化處理，并以數(shù)字化格式通訊數(shù)據(jù)，通常的接口為I2C或SPI。一些CSA還使用電流和電壓的數(shù)字量做乘法來計算功率。

與傳統(tǒng)的模擬輸出的CSA相比，數(shù)字CSA有著明顯的優(yōu)勢。首先，有些系統(tǒng)必須在不同的點測量電流，因而將所有這些測量連接到共同的I2C或SPI總線，便可在微控制器(MCU)上節(jié)省幾個GPIO引腳。此外，數(shù)字CSA還可節(jié)省MCU內(nèi)部對于ADC的使用，使其能夠用于測量系統(tǒng)電流和/或電壓以外的其他用途。最后，由于電流通常是在遠離MCU的系統(tǒng)點上進行測量，在此情況下，相比于檢測遠距離的模擬電流或電壓，傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)更具魯棒性和抗噪能力。

快速采樣速率可精確監(jiān)控電流浪涌

市面上大部分數(shù)字CSA集成的是低采樣速率和低帶寬的ADC，通常分別處于低kSPS和kHz范圍只適合電流不會經(jīng)常發(fā)生變化的應用。然而，如果電流突然發(fā)生變化，系統(tǒng)監(jiān)控會難以察覺。相比之下， MAX40080集成了可編程采樣速率高達1Msps的13位ADC。

以下是兩個實際應用示例，其中快速采樣速率具有顯著優(yōu)勢。

在第一個示例中，具有快速采樣速率的數(shù)字CSA可測量快速電流浪涌，并優(yōu)化大型處理器中的系統(tǒng)性能。對于集成了多個CPU、存儲器、GPU等器件的系統(tǒng)，它會監(jiān)控功耗以便盡可能提高系統(tǒng)性能。而且，它會通過監(jiān)控電流浪涌來觀察系統(tǒng)中哪些模塊最耗電并快速作出應對。

在第二個示例中，具有快速采樣速率的數(shù)字CSA有助于鋰離子電池的安全快速充電。充電過程中，金屬鋰（鋰枝晶）(1)會在負極上逐漸形成，最終成為電池故障源。為防止鋰枝晶形成，電池充電器使用一連串的電流脈沖，而不是固定的穩(wěn)定電流。具有快速采樣速率的數(shù)字CSA可以精確測量這些電流脈沖。

MAX40080的電流測量具有高達50kHz的信號帶寬。在采樣速率高達1Msps的情況下，通過使用集成移動平均數(shù)字濾波器，可對電流和電壓測量進行過采樣，并提高測量精度。此類濾波器可通過I2C命令寄存器進行編程，平均可處理8個到128個樣本，步進增量為x2（8、16、32、64和128個樣本的平均值）。平均過程降低了本底噪聲并提高了準確度。(2)

智能模式能夠顯著節(jié)省功耗

為達到快速采樣速率和高性能，當MAX40080處于完全活動狀態(tài)時，需要2.7mA的電源電流。通常，速度和性能都以功耗為代價。然而，MAX40080提供了可有效降低功耗的智能模式，使MAX40080甚至適用于便攜式消費電子應用，如平板電腦、智能手機和筆記本電腦/臺式電腦。

首先，它具有I2C可編程喚醒電流閾值。MAX40080在低功耗模式下進行編程，此時電流消耗僅為52μA。在此模式下，大多數(shù)功能都處于休眠狀態(tài)，但會每50ms進行一次短暫喚醒以進行一次電流測量，并將測量值與喚醒閾值進行比較。如果測量值低于喚醒閾值，則MAX40080將保持低功耗模式。僅當測量值高于閾值時，MAX40080才會自動切換到所有功能處于激活狀態(tài)的活動模式。對于主要目的是監(jiān)控系統(tǒng)中是否存在意外過流的應用，智能模式能發(fā)揮作用。在這種情況下，可以將喚醒閾值設置為略低于過流閾值，從而顯著降低系統(tǒng)功耗。當電流超過喚醒閾值時，MAX40080將進入活動模式；當電流超過過流閾值時，MAX40080將在其ALERT_輸出上產(chǎn)生中斷報警。

其次，I2C上具有內(nèi)部超時功能，如果長達1分鐘內(nèi)沒有收到主機命令，MAX40080將自動進入待機模式，將功耗降至2.7μA。

最后，MAX40080具有四種額外的工作模式，稱為“選擇性活動模式”，采用從4sps到1/4sps的低固定采樣速率，且功耗極低。當預計不會出現(xiàn)快速電流浪涌時，可將MAX40080切換到這些模式。例如，數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)處于夜間時。請注意，即使在這些“選擇性活動模式”下，過流閾值和報警發(fā)生器仍發(fā)揮作用。如果發(fā)生過流，仍會檢測到過流情況，但不會像MAX40080在正常活動模式和快速采樣速率時那樣快。

圖1.MAX40080智能模式將功耗降低。

可編程輸入范圍和超低失調(diào)增強了系統(tǒng)精度

在需要測量兩個不同電流電平的應用中，最低電平的精度經(jīng)常受到影響，因為它受到電流檢測放大器和后置ADC的失調(diào)電壓的限制。

例如，某物聯(lián)網(wǎng)傳感器系統(tǒng)使用集成BLE的MCU，MCU會定時喚醒，進行一次測量并無線傳輸測量值。當MCU處于活動狀態(tài)時，系統(tǒng)電流在幾十毫安范圍內(nèi)；而當MCU休眠時，系統(tǒng)電流降至微安范圍內(nèi)。由于這兩個電平相差幾個數(shù)量級，休眠電流測量會受到CSA失調(diào)電壓的限制。

MAX40080具有可通過I2C端口選擇的可編程輸入范圍（±10mV或±50mV），在內(nèi)部分別對應于125V/V和25V/V增益選項。這兩種增益選項可靈活測量大小電流，同時降低了ADC失調(diào)誤差保持系統(tǒng)精度。事實上，借助這兩種增益選項，大電流和小電流均接近ADC滿量程范圍，使得ADC失調(diào)誤差可以忽略不計。

MAX40080的失調(diào)電壓貢獻本就很低，在25°C時僅為25μV（最大值），因而可使用較小的電阻值，從而降低功耗。

結(jié)論

MAX40080數(shù)字CSA是一款多功能器件，適用于各種市場應用。數(shù)字輸出比模擬輸出具有更高的抗擾度，并支持在同一數(shù)字總線上連接多個電流檢測器件，從而騰出了MCU上的GPIO引腳和ADC通道。

憑借快速采樣速率，MAX40080可以測量電流浪涌和快速瞬變，比如搭載強大處理器的計算系統(tǒng)和電池充電器中發(fā)生的電流浪涌和快速瞬變。同時，它還具有智能模式，能夠降低功耗，因而非常適合智能手機、平板電腦和筆記本電腦等電池供電系統(tǒng)。可編程輸入范圍和超低失調(diào)電壓提高了在測量大電流和小電流時的精度。

審核編輯：郭婷