電池供電設(shè)備電流監(jiān)控三大要點

　　電流檢測監(jiān)控有助于提高一些系統(tǒng)的效率，減少損失。例如，許多手機(jī)實現(xiàn)了電流檢測監(jiān)控，提高電池壽命，同時提高可靠性。如果電流消耗太大，手機(jī)可以做出決定，降低CPU頻率來減少電池負(fù)載以此延長電池壽命，同時防止手機(jī)過熱來增加穩(wěn)定性。甚至有手機(jī)應(yīng)用程序可以訪問電流檢測并且對優(yōu)化手機(jī)的性能做出決策。除了電流檢測監(jiān)控使用了一個電阻，另外兩個不太常用的方法也使用了電阻。其一是使用霍爾效應(yīng)傳感器來測量產(chǎn)生通量場的電流。雖然這是非侵入性的，并且具有非插入損耗的優(yōu)點。它相對來說有點貴，并且要求一個相對大的PCB基板。另一種方法，使用變壓器測量感應(yīng)的交流電流，也屬于面積和成本密集型;并且同時只對交流電流有用。

　　本文將介紹使用一個電阻進(jìn)行電流檢測監(jiān)控的三個基本方面：

　　1、選擇一個低阻值精度采樣電阻。如果說基板是基于“位置，位置，位置”，然而選擇一個電阻就是基于“精度，精度，精度”原則。

　　2、選擇一個檢測放大器芯片。當(dāng)感應(yīng)到在小于1歐姆電阻，電壓很小的變化也會產(chǎn)生一個很大的結(jié)果。檢測放大器將電壓變化放大，使無意義的事情變的更有意義。

　　3、檢測電阻的“位置，位置，位置”。這個若檢測參考電源，稱為高邊檢測，或者如果連接地，又叫作低邊檢測。

　　精密電流傳感應(yīng)用程序不再是自制食物電路；制造商已經(jīng)做了所有的研究和現(xiàn)代設(shè)計的大部分工作。

　　電阻選擇

　　選擇電阻值，精度和物理尺寸都取決于預(yù)期的電流測量值。電阻值越大，測量可能就越精確，但大的電阻值也會導(dǎo)致更大的電流損失。對于低功率電池驅(qū)動的設(shè)備， 必須減少損失，電阻大約一毫米的長度值并且?guī)в谐砂偕锨W姆的電阻經(jīng)常被使用。對于一個或更多的放大器的更高電流，電阻可以使用更大的阻值，這將得到更準(zhǔn)確的測量與可接受的損失。

　　盡管電阻器通常認(rèn)為是一個簡單的二端設(shè)備，為準(zhǔn)確測量當(dāng)前的四端電阻比如Vishay WSK系列，在每個電阻的末端都使用了二端。這為二端提供了應(yīng)用電路的電流路徑，和另一對感測放大器的電壓檢測路徑。這四端設(shè)置，也稱為開爾文傳感，確保在每個連接盡可能最小的阻力，確保感測放大器的測量電壓就是電阻兩端的的實際電壓并且包括小電阻的組合連接。這將使得更加容易相互連接并且減少電阻溫度系數(shù)造成的影響（TCR）。TCR是一個電阻隨著溫度的升高而阻值增加的效果。電源接到檢測電阻上通常都會使電阻加熱并且可能連接到100°C或者遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于該溫度的環(huán)境溫度下。盡管檢測電阻設(shè)計成具有非常低的TCR，但是有線或PCB布線連接起來組合的TCR可能使阻值增加5%到10%。開爾文傳感通過改進(jìn)傳感系統(tǒng)溫度的穩(wěn)定性大大降低了TCR的影響。

　　WSK0612帶1.0%誤差的電阻可以處理一瓦特的電量并且在小型的DC/DC轉(zhuǎn)換器和一些電池充電器中比較常見。WSK2512系列誤差為0.5%的電阻主要應(yīng)用于筆記本電源和儀器應(yīng)用。Vishay WSK2512可以處理一瓦特并且誤差可以精確到0.5%并且電阻可以從0.025Ω小到如0.0005Ω的都有。

　　圖：Vishay WSK0612電流檢測電阻和尺寸。

　　另一個檢測電阻的重要標(biāo)準(zhǔn)就是隨著溫度改變的穩(wěn)定性在Vishay WSLS和WSLP系列也突顯出來。這些都是長壽電阻并且在工作溫度范圍內(nèi)其阻值波動幅度低至0.25%，并且通常用于開關(guān)電源和線性電源以及功率放大器中作為電流檢測電阻。

　　在處理非常低阻值低電阻過程中有一個不尋常的問題可能會碰到，那就是熱EMF。熱EMF是一個非常小的電壓，占1000分之一伏特，這是存在導(dǎo)體中的溫度微小差異引起的。熱EMF的常規(guī)使用是建立一個熱電偶，其中微電壓和溫度成正比；但是熱EMF在我們的電流檢測電阻中是不允許出現(xiàn)的，并且可能會導(dǎo)致不準(zhǔn)確的讀數(shù)。Vishay WSL 和 WSR電阻系列提供了許多性能優(yōu)勢，包括被專門設(shè)計來減少熱EMF.圖2繪制了Vishay WSL供電金屬條狀電阻和其兩個競爭對手之間的一個比較圖。該態(tài)勢圖表明WSL系列有一個低至 3μv /°C的熱EMF 而競爭對手卻高達(dá)±25μV/°C。

　　圖：Vishay 50毫歐WSL2512供電條狀電阻和其競爭對手技術(shù)的熱EMF特征進(jìn)行比較。

　　在圖2的其中兩個電阻中都是金屬條狀技術(shù)，第三個是低阻值的厚膜電阻。所有的電阻都是50 mΩ標(biāo)稱電阻。正如上圖展示的，如果不考慮熱EMF就會導(dǎo)致不準(zhǔn)確的讀數(shù)。

　　某些應(yīng)用程序有高功率的要求，使用半瓦或更多來強(qiáng)制通過電阻。Vishay WSLP2010 WSLP2512可以分別處理2.0和3.0瓦。WSHM2818 具有7.0瓦高功率密度電流檢測電阻，主要是為高壓電流檢測應(yīng)用比如wattage DC/DC 轉(zhuǎn)換器，桌面PC電源，以及無刷直流電機(jī)控制。對于高溫應(yīng)用，1瓦特的Vishay WSLT和WSR系列可以承受溫度高達(dá)275攝氏度。

　　檢測監(jiān)控-高邊或者低邊？

　　電流分流器監(jiān)控集成電路，同時也叫電流檢測放大器，精確測量待測電阻兩端的微小電壓。防止檢測放大器干擾被測電壓，這些集成電路具有很高的輸入阻抗。然而，在選擇并聯(lián)顯示器之前，必須做出一個明智的決定，那就是是否要將電流檢測電阻放置在負(fù)載的電源電壓軌上（高邊監(jiān)控）。或者負(fù)載的地面點（低邊監(jiān)控），每一種都有其優(yōu)點和缺點。

　　圖：高邊檢測VS低邊檢測。

　　低邊檢測通常是最便宜和最簡單的方式來實現(xiàn)，因為如果檢測電阻的一端在地面系統(tǒng)，并且負(fù)載的另外一端在那些電流待測的負(fù)載的地面，然后電阻兩端的電壓相對系統(tǒng)地面可以通過一個簡單的引用同一個系統(tǒng)的運(yùn)放將其放大。然后該放大電壓通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）進(jìn)行測量。

　　但是，低邊檢測的缺點與其自身的優(yōu)點有關(guān)，那就是放置一個電阻在負(fù)載到地的路徑。這種電阻放置導(dǎo)致負(fù)載的地面浮動電壓略高于系統(tǒng)地面。這種安排的最常見的問題是潛在的接地回路問題。因為負(fù)載與系統(tǒng)中的其他負(fù)載不是在同一個參考地上。該系統(tǒng)可以開發(fā)一個可聽噪音，如哼哼，甚至對附近的設(shè)備產(chǎn)生干擾，包括音頻和視頻的干擾。另外，低邊檢測不能夠檢測錯誤條件，比如在地面路徑的一個短路或者開路，由于連接問題或外界干擾引起的。

　　由于這個原因，低邊檢測的意義在于處理大電流，一個孤立的負(fù)載，或其他情況下，系統(tǒng)不受地面路徑影響。

　　高邊檢測是用于當(dāng)一個并聯(lián)電阻成列放置在系統(tǒng)電源和負(fù)載之間。這個配置對電流的變化更加敏感并且對系統(tǒng)地添加了免干擾功能。其主要缺點是由于分流電阻不是在系統(tǒng)地面上，差動電壓必須被測量出來，因為它需要精確匹配合適的差分放大器。然而，它的缺點是消除了一個來自德州儀器的精密電流分流監(jiān)控器。

　　電流分流監(jiān)控器

　　選擇電流分流監(jiān)控器的幾個因素：

　　共模范圍：該規(guī)范定義了放大器對地的輸入允許直流電壓范圍。電流分流監(jiān)控器通常指定接受共模電壓比芯片供電電壓高。比如說。德州儀器的INA225電流分流監(jiān)控器和TI的INA300電流檢測比較器可以接受的DC電壓是從0v到36V。他們兩者都是非常靈活的，并且可以用于高邊或者低邊監(jiān)控。INA225擁有 I2C 接口，允許一個微控制器去讀被監(jiān)控的電流根據(jù)被測的電壓和功耗。TI 的INA282擁有一個非常寬的共模-14 v + 80 v的范圍以及一個只有 1.5 μV/°C低的偏置漂移。

　　偏置電壓：這是在放大器輸入端測量電壓，假設(shè)正極和負(fù)極輸入是基本一樣的電壓。理想情況下這個電壓是零，但實際上它總是一個非零電壓。小的偏移電壓會導(dǎo)致巨大的錯誤，它可以增加芯片壽命和動態(tài)溫度。德州儀器的INA230雙向電流分流監(jiān)控器擁有一個低至 50μV的偏置電壓當(dāng)其溫度范圍是-40 + 125°C時。然而，對于最好的精度，這個TI的INA226在現(xiàn)在的市場上是一款最高精度的電流檢測監(jiān)控器，其偏置電壓是只有10μV 并且一個共模范圍達(dá)到36V。他們兩者都實現(xiàn)了一個 I2C 系列接口以方便大多數(shù)微控制器接口。

　　共模抑制比（CMRR）：這個規(guī)范是一個放大器檢測和拒收信號的能力出現(xiàn)在兩個差分輸入。電路板上的放大器的物理位置可能會導(dǎo)致噪聲耦合到輸入上由于熱噪聲，高頻信號，或者高電流，從而誘導(dǎo)磁電流耦合。德州儀器的大部分電流分流監(jiān)控器有一個經(jīng)典的共模抑制比高達(dá)140dB，包括 INA226，INA210，和INA282。

　　由于電流分流監(jiān)控器有太多的選擇，目標(biāo)電路究竟該使用哪一個？正如本文所討論，選擇是與系統(tǒng)有關(guān)的。電流分流電阻和監(jiān)控器現(xiàn)在被用于這些以前并不需要進(jìn)行電流監(jiān)測，但是現(xiàn)在需要提高電池效率的應(yīng)用。其中例子包括儀表，無線充電電源，平板電腦和手機(jī)、工業(yè)自動化、醫(yī)療設(shè)備供電，電池和太陽能系統(tǒng)。

　　總結(jié)

　　電流監(jiān)控的需求越來越重要，尤其是對于電池驅(qū)動的設(shè)備。電流監(jiān)測監(jiān)控可以顯著提高系統(tǒng)優(yōu)勢，越仔細(xì)的選擇合適的組件就越可能延長電池壽命和許多電子系統(tǒng)的壽命。