無線電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)概覽及優(yōu)勢(shì)

簡(jiǎn)介

測(cè)量流經(jīng)檢測(cè)電阻的電流似乎很簡(jiǎn)單。放大電壓，用ADC讀取，就可以知道電流是多少；但如果檢測(cè)電阻上的電壓與系統(tǒng)地電壓相差很遠(yuǎn)，檢測(cè)就會(huì)變得比較困難。典型解決方案是在模擬域或數(shù)字域消弭該電壓差。但這里介紹一種不同的方法——無線。

模擬電流檢測(cè)IC是緊湊型解決方案，但其可承受的電壓差受限于半導(dǎo)體工藝。很難找到額定電壓超過100V的器件。如果檢測(cè)電阻共模電壓迅速變化或在系統(tǒng)地電壓上下擺動(dòng)，這些電路便無法精確測(cè)量。

數(shù)字隔離技術(shù)（磁或光學(xué)）體積有點(diǎn)大，但能以高精度工作，并且通?？梢猿惺軘?shù)千伏電壓。這些電路需要隔離電源，但有時(shí)可以將它集成在隔離器中。如果檢測(cè)電阻與主系統(tǒng)在物理上隔開，那么可能還要使用長(zhǎng)導(dǎo)線或電纜。

無線電流檢測(cè)電路克服了上述諸多限制。讓整個(gè)電路隨同檢測(cè)電阻的共模電壓浮空，并在空中無線傳輸測(cè)量數(shù)據(jù)，電壓限制也就無從談起。檢測(cè)電阻可以位于任何地方，無需布置電纜。如果電路功耗非常低，那么甚至不需要隔離電源，一個(gè)小電池便能讓它運(yùn)行多年。

設(shè)計(jì)概覽

圖1顯示了設(shè)計(jì)的框圖。該電流檢測(cè)電路基于斬波穩(wěn)定運(yùn)算放大器LTC2063，其用來放大檢測(cè)電阻上的壓降。微功耗SAR ADC AD7988將值數(shù)字化，并通過一個(gè)SPI接口報(bào)告結(jié)果。LTP5901-IPM是無線電模塊，不僅包含無線電，而且含有自動(dòng)形成IP網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)所需的組網(wǎng)固件。此外，LTP5901-IPM內(nèi)置微處理器以讀取AD7988 ADC SPI端口。LTC3335是一款低功耗DC-DC電源，其將電池電壓轉(zhuǎn)換為恒定輸出電壓。LTC3335還含有庫侖計(jì)，用以報(bào)告從電池獲取的累計(jì)電荷。

圖1

圖1. 低功耗無線電流檢測(cè)電路由一個(gè)低功耗斬波運(yùn)算放大器（用以放大檢測(cè)電壓）組成，利用低功耗ADC和基準(zhǔn)電壓源進(jìn)行數(shù)字化處理，連接到SmartMesh IP無線電模塊。電池輸出到低功耗DC-DC轉(zhuǎn)換器得到恒定電源，同時(shí)記錄從電池獲取的電荷

信號(hào)鏈

LTC2063是一款超低功耗斬波穩(wěn)定運(yùn)算放大器，其最大電源電流為2μA，特別適合電池供電應(yīng)用。失調(diào)電壓小于10μV，因此它可以測(cè)量非常小的壓降而不會(huì)喪失精度。圖2顯示LTC2063配置用來放大10 mΩ檢測(cè)電阻上的電壓并進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。選擇適當(dāng)?shù)脑鲆?，使檢測(cè)電阻的±10 mV滿量程輸入（對(duì)應(yīng)于±1 A電流）映射到接近輸出端的滿量程范圍，其以1.5 V為中心。這一放大信號(hào)被輸入至16位SAR ADC。選擇AD7988是因?yàn)槠錁O低的待機(jī)電流和良好的直流精度。采樣速率較低時(shí)，ADC在兩次轉(zhuǎn)換之間自動(dòng)關(guān)斷，1 kSPS時(shí)的平均功耗低至10 μA。LT6656用于偏置放大器、電平轉(zhuǎn)換電阻和ADC基準(zhǔn)輸入。LT6656 基準(zhǔn)電壓源功耗小于1 μA，可驅(qū)動(dòng)高達(dá) 5 mA負(fù)載，壓差很低，因此即使采用3.3 V系統(tǒng)電源供電，它也很容易輸出精密3 V電壓。

此信號(hào)鏈中有三個(gè)大致相等的失調(diào)誤差源，相對(duì)于±10 mV滿量程輸入，它們共同貢獻(xiàn)大約0.5%的誤差。這包括LTC2063和AD7988的失調(diào)電壓，以及電平轉(zhuǎn)換電阻的不匹配（推薦使用0.1%電阻）。單點(diǎn)校準(zhǔn)可在很大程度上消除該失調(diào)。增益誤差一般以可用檢測(cè)電阻的不精確性為主，它往往比LT6656基準(zhǔn)電壓源的0.05%、10 ppm/°C規(guī)格還要差。

圖2

圖2. 電流檢測(cè)電路隨同檢測(cè)電阻電壓浮空。斬波運(yùn)算放大器LTC2063放大檢測(cè)電壓，把它偏置到AD7988 ADC的中間軌。LT6656-3提供精密3 V基準(zhǔn)電壓源。

電源管理

LTC3335是一款集成庫侖計(jì)的納安功耗降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。它配置用來從1.8 V到5.5 V的輸入電源產(chǎn)生3.3 V穩(wěn)壓輸出。這使得該電路可以利用兩節(jié)堿性原電池的電源供電。對(duì)于占空比型無線應(yīng)用，負(fù)載電流的變化范圍很容易達(dá)到1 μA至20 mA，取決于無線電是處于工作模式還是睡眠模式。LTC3335在空載時(shí)的靜態(tài)功耗僅680 nA，因此當(dāng)無線電和信號(hào)鏈處于睡眠模式時(shí)，整個(gè)電路的運(yùn)行功耗非常低。另外，LTC3335可以輸出多達(dá)50 mA的電流，在無線電發(fā)射/接收期間可輕松提供足夠的功率，故適合各種信號(hào)鏈電路。LTC3335還內(nèi)置一個(gè)庫侖計(jì)，非常方便。切換時(shí)，它會(huì)記錄從電池獲取的總電荷。此信息可通過I2C接口讀出，用來預(yù)測(cè)何時(shí)需要更換電池。

無線組網(wǎng)

LTP5901-IPM是一個(gè)完整的無線電模塊，包括無線電收發(fā)器、嵌入式微處理器和SmartMesh IP組網(wǎng)軟件。LTP5901-IPM在本應(yīng)用中執(zhí)行兩個(gè)功能：無線組網(wǎng)和管理（進(jìn)程）。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)管理器附近有多個(gè)SmartMesh IP終端上電時(shí)，這些終端會(huì)自動(dòng)識(shí)別彼此，形成一個(gè)無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)進(jìn)行時(shí)間同步，這意味著每臺(tái)無線電僅在非常短的特定時(shí)間間隔內(nèi)上電。因此，各節(jié)點(diǎn)不僅是傳感器信息源，而且充當(dāng)路由節(jié)點(diǎn)，用以將數(shù)據(jù)從其他節(jié)點(diǎn)傳遞到管理器。這樣就形成一個(gè)高可靠性、低功耗網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)，從各節(jié)點(diǎn)到管理器有多條路徑可走，不過所有節(jié)點(diǎn)（包括路由節(jié)點(diǎn)）的工作功耗都非常低。

LTP5901-IPM包括一個(gè)運(yùn)行組網(wǎng)軟件的ARM? Cortex?M3微處理器內(nèi)核。此外，用戶可以寫入應(yīng)用固件以完成特定于用戶應(yīng)用的任務(wù)。在本例中，LTP5901-IPM內(nèi)部的微處理器讀取電流測(cè)量ADC(AD7988)的SPI端口和庫侖計(jì)(LTC3335)的I2C端口。微處理器還能將斬波運(yùn)算放大器(LTC2063)置于關(guān)斷模式，使其功耗從2 μA進(jìn)一步降低至200 nA。在測(cè)量間隔時(shí)間極長(zhǎng)的使用場(chǎng)合中，這可以節(jié)省更多功耗。

總功耗

完整應(yīng)用電路的總功耗取決于多種因素，包括信號(hào)鏈多長(zhǎng)時(shí)間獲取一次讀數(shù)、節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中如何配置等等。對(duì)于一個(gè)每秒報(bào)告一次的終端，測(cè)量電路的典型功耗低于5 μA，無線電的典型功耗可能為40 μA，很小的電池即可讓它工作數(shù)年。

圖3

圖3. 在小型PCB上實(shí)現(xiàn)的一個(gè)完整無線電流檢測(cè)電路。唯一的物理連接是待測(cè)電流的香蕉插座。無線電模塊如右圖所示。電路由連接到板背面的兩節(jié)AAA電池供電。

結(jié)論

Linear Technology和ADI公司信號(hào)鏈、電源管理、無線組網(wǎng)產(chǎn)品的結(jié)合，使得我們可以設(shè)計(jì)真正的無線電流檢測(cè)電路。圖3顯示了一個(gè)實(shí)現(xiàn)示例。新型超低功耗斬波運(yùn)算放大器LTC2063可以精確讀取檢測(cè)電阻上的小壓降。包括微功耗ADC和基準(zhǔn)電壓源在內(nèi)的整個(gè)電路隨同檢測(cè)電阻的共模電壓浮空。只要一個(gè)小電池，納安功耗LTC3335開關(guān)穩(wěn)壓器便可為該電路供電數(shù)年之久，同時(shí)利用內(nèi)置庫侖計(jì)報(bào)告電池累計(jì)使用率。LTP5901-IPM無線模塊管理整個(gè)應(yīng)用，自動(dòng)連接到一個(gè)高可靠性SmartMesh IP網(wǎng)絡(luò)。

作者：

Kris Lokere是信號(hào)鏈產(chǎn)品戰(zhàn)略應(yīng)用經(jīng)理，其隨著Linear Technology合并而加入ADI。Kris喜歡運(yùn)用多條產(chǎn)品線技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)。過去20年間，他一直負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)運(yùn)算放大器，組建工程團(tuán)隊(duì)以及管理產(chǎn)品線策略。他擁有多項(xiàng)專利，并獲得魯汶大學(xué)電子工程碩士學(xué)位和巴布森學(xué)院工商管理碩士學(xué)位。