传感器与IC简化电流测量技术

2011-08-11 14:34:26来源: 互联网

   今天在各个层次上对能量效率的需求,使电流成为一项快速增长的测量指标。设计人员现在能从令人眼花缭乱的各种硬件中进行选择,来最佳地实现对主电路影响最小的技术。
  要点
  库仑计数器适用于移动充电器
  高端测量可保证精度与安全
  差分放大器把小检测电压归因于接地
  检测FET可实现动态在线测量
  霍尔效应传感器测量交流与直流
  从电池供电的小型轮胎气压传感器到数兆瓦的风力涡轮发电机,今天的电子学性质与不断提高的能量效率要求,正在使能量测量成为每一位设计人员的热门话题。在规模较小的低端,每一种便携式电子设备都要求用比以往更好的电池功率管理来增长工作时间,并为用户提供更多的特性。而在大规模的全国性供电电网方面,快速、精确及结实可靠的传感器,是在不断变化的电网条件下提供用于平衡发电机输出的伺服环路反馈的基础。多数应用则处于这两种极端应用之间,包括汽车电源调整、消费电子直至工业过程控制等。在上述各种情况下,具备电流测量能力是半导体厂商与传感器制造商所提供的各种器件(设备)的关键要求。在目前已经独立出来的这个市场中,家庭能量计将测量电流与电压的能力以低成本的方式合并在一个互相矛盾的环境中(参见附文“电表要求采用电子测量”)
  无论功率水平如何,测量必须总是能与ADC之类监控逻辑进行接口。尽管设计人员常常认为电压测量不过是小菜一碟,但今天的IC与传感器常常使得更容易进行电流测量 ——尤其在与交流电源隔离成为一个问题的情况下。但在深入研究交流电源测量之前,由于即便有修改概念也基本相同,因此有必要讨论直流应用以及可简化设计人员工作的各种途径。当然,电池供电设备长期以来一直采用功率测量来报告电路状态。但具有讽刺意味的是,或许是机械与电气元件所取得进展正在使经典案例—— 汽车充电电路——在商品汽车中变得日益罕见。虽然每辆汽车都用伏特计和安培计来告诉驾驶员哪里要出故障的日子已经一去不复返了,但这种类比在汽车消费电子领域变得比以往更加重要。
  尽管大量汽车电子设备都用电池终端电压测量来得出至下一个充电周期前所剩下的工作时间,但峰值负载(例如数码相机上的闪光灯)却要求用功率测量来管理能量资源并优化整体设备运行。例如,如果剩下的电量不足以使相机继续工作的话,则微控制器可能会选择禁用闪光灯。另外, 电池电压测量为电池容量的一种粗略近似,它会在电池使用过程中随电池电化学性能的下降而逐渐变差。鉴于此,一种所谓的库仑计算技术日益受到了人们的宠爱。这里,电流与电压用来监视定时器在充、放电过程中的增加与减少,其满量程值即表示电池的容量。例如在电池供电轮胎气压监视系统 (TPMS) 中,由于没有机会给能源充电,且器件工作正常即意味着安全,因此随着器件周期性地在待机与工作模式间转换,监视电路以毫微安/秒为单位来测量电池放电,误差信号即表示剩余电量是否不足(参考文献1)
  虽然TPMS等小型设备要求使用ASIC,但库仑计数器也容易作为ADC/定时器在商用微控制器中实现。而像智能电池组等更复杂的应用,则可以使用集成了外围功率管理功能的专用电池能量监测器IC。像Atmel公司的新型ATmega406芯片,即在微控制器的周围安排了稳压器与支持电路(包括用于电池充电的FET驱动器和用于电流与电压监视的两个ADC),以构建一个用于锂离子电池组充电器的自主控制器。配上通过5mΩ电流旁路而获得0.67mA分辨率的18位库仑计数器,该器件±30A的范围还建议用于更广泛的控制设备中,使这些设备能充分利用 40k字节闪存、2k字节RAM以及512k字节EEPROM的优势。

  保护测量精度
  几乎无一例外,监视与控制电路都需要有将测量值归于系统接地的接口,这给设计人员带来了这样一个老问题,即如何最佳地将任意电平电压上的电流转换成适合现成逻辑的电平。在传统上适合高灵敏度动圈直流安培计的传统低端检测技术,是在电源返回路径中插入一个电流检测电阻器并测量其上产生的电压。这种安排还具有将测量值参考至高压交流电路中的中性电位上的优势,从而能避免高共模电压并简化瞬态保护——尽管不能检测电机线圈与其外壳之间的短路。但要想与逻辑电路接口,就必须将ADC信号接地与电路接地相连,且对于所有其他电路来说,使检测电阻器动态电位浮动会在多个电路间造成偏差。此外,这种安排还难以给单个电路(包括ADC)提供其所需的电流,并容易给接地面引入讨厌的阻抗。由于ADC的输入灵敏度远小于安培计典型75mV的满量程电压,故必须用一个可处理共模电压(包括接地)的仪表放大器来将检测电压提升至合适的水平。
  高端测量可克服以上这些问题,而且实际上在应用中是强制性的,担负大量公共接地-返回路径,如汽车那样。问题现在集中在以一个加在正电源线上的小检测电压为参考的地上。虽然可采用真正的差分放大器或仪表放大器方法,但要求有匹配良好的电阻器来保持共模抑制比 (CMRR) 以及保持精确的增益性能(图1a),例如,任何两个电阻器间0.1%的不平衡即会将CMRR降为66 dB。
  像具有1和10固定增益的Maxim公司MAX4198/99芯片,即集成了这些电阻器并具有优于0.01%的增益精度与大于110 dB的CMRR。封装选项包括该公司的小型8引脚mMAX封装,起价大约为1.25美元(批量1000片)。该公司还提供各种用于电流检测应用的元件。 Analog Devices公司也在其电流检测放大器系列中提供各种用于高共模检测的仪表放大器。例如,AD8205具有的65V工作电压极限使其适合用于汽车42V PowerNet监控。与内部分压器链路的灵活连接,使其易于进行偏置和换算输出电压以适合进行单极型与双极型测量。售价为1.35美元(批量1000 片)的该型芯片采用工作温度规定为 -40℃~ +125℃的8引脚SOIC封装。

 


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关键字:传感器  电流测量

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2011/0811/article_3207.html
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