如何利用運(yùn)算放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功耗最小化

在本系列文章的第一部分，我們討論了直流增益中偏移電壓(VOS)和偏移電壓漂移(TCVOS)的結(jié)構(gòu)，以及如何選擇具有理想精確度的毫微功耗運(yùn)算放大器（op amp），從而使放大后低頻信號(hào)路徑中誤差最小化。在第二部分中，我們將回顧電流感應(yīng)的一些基礎(chǔ)知識(shí)，并介紹如何在提供精確讀數(shù)的同時(shí)，利用運(yùn)算放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功耗最小化。

電流感應(yīng)

設(shè)計(jì)者通過(guò)將一個(gè)非常小的“分流”電阻串聯(lián)在負(fù)載上，在兩者之間設(shè)置一個(gè)電流感應(yīng)放大器或運(yùn)算放大器，實(shí)現(xiàn)用于系統(tǒng)保護(hù)和監(jiān)測(cè)的電流感應(yīng)。雖然專用的電流感應(yīng)放大器能夠發(fā)揮十分出色的電流感應(yīng)作用，但如果特別注重功耗的情況下，精密的毫微功耗運(yùn)算放大器則是理想的選擇。

有兩個(gè)位置可以根據(jù)負(fù)載放置分流電阻：負(fù)載與電源之間（圖1），或者負(fù)載與接地之間（圖2）。

在這兩種情況下，為了利用已知阻值的電阻來(lái)感應(yīng)電流，通過(guò)運(yùn)算放大器來(lái)測(cè)量分流電阻兩端的電壓。運(yùn)用歐姆定律（公式1），可以確定電流消耗：

其中 V 表示電壓，I 表示電流，R 表示電阻。

選擇分流電阻和運(yùn)算放大器，這樣它們對(duì)電路的性能影響最小。在選擇電阻時(shí)，根據(jù)以下兩個(gè)條件選用低值電阻：

盡量將電阻兩端的壓降保持在低水平，使負(fù)載的負(fù)極在低側(cè)感應(yīng)時(shí)盡可能靠近接地，或者在高側(cè)感應(yīng)時(shí)盡可能靠近電源。

保持低功耗。從公式2可以看出，由于你要測(cè)量的是電流，因此它是一個(gè)自變量，所以電阻應(yīng)盡可能小：

這里要說(shuō)明一點(diǎn)：由于你要測(cè)量電流而不是讓電流最小化（如我再第一部分中所做的），所以你必須將電阻值最小化，才能讓功耗最小化—這與DC增益配置中功耗管理的思路相反。

超低功耗電流測(cè)量技術(shù)廣泛應(yīng)用于移動(dòng)電源、手機(jī)等終端設(shè)備的電池充電和監(jiān)測(cè)，也可以用于保證工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的正常運(yùn)行。

那么在選擇電阻值時(shí)，可以壓到多低呢？簡(jiǎn)單地說(shuō)，電阻兩端的壓降應(yīng)當(dāng)大于你所用運(yùn)算放大器的偏移電壓。

示例

假設(shè)你要進(jìn)行低側(cè)差動(dòng)電流測(cè)量（圖3），以確保系統(tǒng)中不存在短路和開(kāi)路。為了簡(jiǎn)易起見(jiàn)，本示例選用簡(jiǎn)單的數(shù)字，忽略諸如電阻容差之類的參數(shù)。

電源電壓為3.3V。在正確操作的情況下，系統(tǒng)得出最大電流值為10mA；你不想要有效接地，使負(fù)載高于100μV。你首先要明白一點(diǎn)，分流電阻的壓降（由于電流）必須小于或等于100μV。

如果你使用公式3來(lái)確定最大分流電阻：

則有效接地為100μV，如公式4所示：

您必須選用運(yùn)算放大器，它能夠檢測(cè)到這種壓降的變化，表明是否存在故障。由于系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，負(fù)載電流在其典型值±10%范圍內(nèi)。當(dāng)電流變化至少10%時(shí)，運(yùn)算放大器就可以檢測(cè)出感應(yīng)電阻兩端的電壓變化

如果存在故障（如：開(kāi)路，低電流導(dǎo)致的欠壓，高電流導(dǎo)致的短路或掉電），公式5表示電流的變化（IΔ）：

公式6計(jì)算出VSHUNT壓降的變化：

在這個(gè)例子中，我會(huì)選擇LPV821零漂移毫微功耗放大器。其零漂移技術(shù)可實(shí)現(xiàn)僅10μV的最大偏移電壓，從而檢測(cè)到故障情況。零漂移運(yùn)算放大器是高精度（＜100μV）測(cè)量的理想選擇。此外，LPV821也是一種毫微功耗放大器，你可以讓它一直處于開(kāi)啟狀態(tài)，持續(xù)準(zhǔn)確地感測(cè)電流，對(duì)系統(tǒng)功率預(yù)算的影響很小。

感謝閱讀“如何以毫微功耗運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)精密測(cè)量”系列的第二部分。我們希望這一系列文章能夠?yàn)槟闾峁┮恍╆P(guān)于在直流增益和低側(cè)電流傳感應(yīng)用中使用毫微功耗零漂移運(yùn)算放大器的益處的見(jiàn)解。如果你對(duì)精密測(cè)量存在疑問(wèn)，請(qǐng)注冊(cè)并留言，或訪問(wèn)TI E2E中文社區(qū)放大器論壇。

審核編輯：何安