摘要：將模擬乘法器和高邊電流檢測放大器相結(jié)合，能夠在筆記本電腦或其它便攜儀器中實(shí)現(xiàn)電池充、放電電流的測量。本文討論將模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的基準(zhǔn)電壓加到模擬乘法器的一個(gè)輸入端，以提高電流測量精度的方法。

引言

在對(duì)可靠性和精確性要求非常高的應(yīng)用中，大量使用了高邊電流檢測放大器。筆記本電腦中，它被用來監(jiān)測電池的充、放電電流，也可以用來監(jiān)測USB口和其它電壓的電流。為了控制系統(tǒng)發(fā)熱和電源損耗，要求降低這些電壓的輸出功率。在便攜式消類產(chǎn)品中，高邊電流檢測放大器用來監(jiān)測鋰電池的充、放電電流。汽車應(yīng)用中，這樣的放大器不僅可以監(jiān)測電池電流，也可以用來進(jìn)行馬達(dá)控制和GPS天線檢測。在通信基站中，這樣的放大器也被用來監(jiān)測功率放大器的電流。

很多應(yīng)用中，高邊電流檢測放大器能夠直接與模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)相連。有一些ADC由外部基準(zhǔn)電壓決定滿量程輸入范圍，它們的輸出精度在很大程度上取決于基準(zhǔn)電壓的精度。

本文介紹了在多數(shù)應(yīng)用中，如何利用一個(gè)集成了高邊電流檢測放大器的模擬乘法器來檢測電池的充、放電電流。本設(shè)計(jì)方案通過把ADC的基準(zhǔn)電壓加到模擬乘法器的輸入端，有效提高了檢測精度。

高邊與低邊電流檢測技術(shù)

高邊、低邊電流檢測是兩種通用的電流測量方法。高邊檢測是在電源(如電池)和負(fù)載之間放一個(gè)檢流電阻；低邊檢測是在地回路上串聯(lián)一個(gè)檢流電阻，這種方法與高邊檢測相比有2個(gè)缺點(diǎn)：第一，如果負(fù)載發(fā)生意外短路，低邊電流檢測放大器將被旁路，不能檢測短路狀態(tài)；第二，由于在地回路中引入了所不期望的阻抗，從而把地平面分割開。高邊電流檢測也有一個(gè)缺點(diǎn)：電流檢測放大器必需支持高共模電壓輸入，幅度取決于具體的電壓源。高邊檢測主要用于電流檢測放大器，而低邊檢測可采用簡單的運(yùn)算放大器，只要這個(gè)放大器能夠處理以地為參考的共模輸入即可。

利用高邊檢流放大器測量功率

圖1說明了如何利用集成了模擬乘法器的高邊電流檢測放大器MAX4211測量供給負(fù)載的功率(定義為負(fù)載電流與電壓的乘積)。高邊電流檢測提供與負(fù)載電流成比例的電壓輸出，該輸出電壓加到模擬乘法器，而模擬乘法器的另一個(gè)輸入為負(fù)載電壓。由此，乘法器輸出一個(gè)與負(fù)載功率成正比的電壓。


圖1. 高邊電流檢測(MAX4211)，把負(fù)載電壓和負(fù)載電流相乘，得到正比于負(fù)載功率的模擬輸出電壓

模擬乘法器在高邊電流檢測放大器中的使用

這里的模擬乘法器不僅僅提供功率測量，還可提供其它用途。如果其外部輸入沒有連接到負(fù)載電壓，也可以把它連接到ADC的基準(zhǔn)電壓。這種情況下，乘法器將不再測量功率，而是把電流檢測放大器的輸出電壓與ADC的基準(zhǔn)電壓相關(guān)聯(lián)。

圖2說明了這種用法，高邊電流檢測放大器測量電池的充電電流。電壓輸出(POUT)加到輸入范圍為0V至VREF的16位ADC。這里，外部穩(wěn)壓源提供VREF，電壓范圍：1.2V至3.8V (該例中為3.8V)。乘法器的輸入范圍是0到1V，可以把3.8V基準(zhǔn)電壓通過R1/R2分壓實(shí)現(xiàn)。假設(shè)R2 = 1kΩ，R1 = 2.8kΩ，則VIN = 1V。MAX4211的增益為25，則電壓測量范圍為：0到150mV，輸出電壓(對(duì)POUT和IOUT)范圍為0至3.75V (與流入負(fù)載的電流成正比)。


圖2. 該電路利用檢流放大器(MAX4211)和帶外部基準(zhǔn)的ADC，測量電池充、放電電流

圖3提供了一個(gè)類似應(yīng)用，ADC具有內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，這里介紹的應(yīng)用是用于內(nèi)置基準(zhǔn)和外部基準(zhǔn)ADC的情況。


圖3. 該電路中，MAX4211配合內(nèi)置基準(zhǔn)的ADC測量充電及放電電流

利用電流檢測放大器的POUT作為輸出，而不是IOUT，其優(yōu)點(diǎn)是：加到ADC的信號(hào)(正比于負(fù)載電流)可以通過VREF降下來。用POUT作為輸出，降低了對(duì)基準(zhǔn)電壓精度的要求，因?yàn)锳DC的數(shù)字輸出取決于輸入電壓與基準(zhǔn)電壓(代表滿量程值)的比。因?yàn)镻OUT是基準(zhǔn)電壓的函數(shù)，因此消除了基準(zhǔn)對(duì)ADC測量精度的影響，理論上與基準(zhǔn)電壓及其精度無關(guān)。

如果把IOUT接ADC，則基準(zhǔn)上的任何誤差都將影響到輸出。以下兩個(gè)公式分別給出了ADC輸入與ADC滿量程范圍的比值，由此解釋了上述結(jié)論：

POUT/VREF = ILOAD × RSENSE × 25 × VREF × R2/(R1 + R2)/VREF = ILOAD × RSENSE × 25 × R2/(R1 + R2)	[Eq. 1]
IOUT/VREF = ILOAD × RSENSE × 25/VREF	[Eq. 2]

式1采用POUT輸出，ADC精度將與VREF精度無關(guān)；式2采用IOUT輸出，將產(chǎn)生一個(gè)與VREF成反比的誤差。

圖2和圖3的整體精度取決于很多因素：電阻精度、放大器增益誤差、電壓失調(diào)、偏置電流、基準(zhǔn)電壓的精度、ADC誤差以及上述參數(shù)的溫漂。圖2和圖3給出了提高系統(tǒng)精度的解決方案，利用MAX4211模擬乘法器可以消除誤差源之一—基準(zhǔn)電壓誤差。

VREF的精度至少與以下三個(gè)因素有關(guān)：

1. 初始誤差(標(biāo)稱值的百分比)
2. VREF隨負(fù)載的變化
3. VREF隨溫度的變化

圖4描述了上述第2個(gè)誤差源，隨著VREF負(fù)載的提高，VREF輸出從3.8V降到1.2V。POUT將隨著VREF變化，變化規(guī)律與之相同。


圖4. VREF隨負(fù)載的變化曲線，這里給出的是POUT/IOUT隨VREF的變化，VSENSE = 125mV

圖5、圖6和圖7給出了VCC = 5V、VSENSE保持固定100mV時(shí)，VREF和MAX4211輸出隨溫度的變化。圖2電路的工作溫度從-40°C變化到+85°C，以20°C為級(jí)差(-20°C、0°C、+25°C、+45°C和+65°C)，圖5曲線顯示了VIN隨溫度變化的結(jié)果(即VREF在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的溫漂)。


圖5. VIN隨溫度的變化曲線

圖6給出了MAX4211的IOUT、IOUT/VIN隨溫度的變化曲線，與ADC的輸入信號(hào)/滿量程信號(hào)之比成正比(如果用IOUT輸出驅(qū)動(dòng)ADC)。


圖6. IOUT、IOUT/VIN隨溫度的變化曲線，VSENSE = 100mV

IOUT/VREF之比隨溫度的變化與圖5所示VIN隨溫度的變化曲線有關(guān)。圖5中，VIN在0°C和+45°C之間向下彎曲，對(duì)應(yīng)于圖6 IOUT/VIN在相同溫度范圍的凸起部分。這樣，ADC的測量值會(huì)因?yàn)榛鶞?zhǔn)(VREF)受溫度的影響而發(fā)生變化。

最后，圖7給出了MAX4211的POUT、POUT/VIN隨溫度的變化曲線。從中可以看出：POUT/VIN與ADC輸入信號(hào)/滿量程比成正比關(guān)系。

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圖7. POUT、POUT/VREF隨溫度的變化曲線，VSENSE = 100mV

從圖7可以看出，POUT/VIN與VIN隨溫度的變化無關(guān)。VIN在0°C到+45°C之間向下彎曲經(jīng)過POUT輸出后進(jìn)行了“補(bǔ)償”，因?yàn)閂IN沒有出現(xiàn)在POUT/VIN曲線，相應(yīng)地，ADC的輸出也不會(huì)受VREF隨溫度改變的影響。

圖8給出了IOUT/VIN和POUT/VIN與其相應(yīng)的理想線性特性的差異。


圖8. POUT/VIN、IOUT/VIN隨溫度的變化曲線，VSENSE = 100mV

結(jié)論

集成了模擬乘法器的高邊電流檢測放大器通常用來測量負(fù)載功率。不過，這種集成乘法器也可以提供另一種功能。電流檢測放大器可以連接內(nèi)置或外置基準(zhǔn)的ADC。兩種情況下，整體測量精度主要與基準(zhǔn)電壓(VREF)的精度有關(guān)。如果把負(fù)載電流與基準(zhǔn)電壓VREF相乘后輸出到ADC，將可以消除基準(zhǔn)電壓的誤差。采用這種設(shè)計(jì)，即使是使用低成本、低精度的基準(zhǔn)電壓，也可以提高負(fù)載電流的測量精度。