電流感應(yīng)基礎(chǔ)知識 以毫微功率預(yù)算實現(xiàn)系統(tǒng)功耗最小化

第2部分：應(yīng)用毫微功耗運算放大器幫助電流感應(yīng)

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算放大器（op amp），從而使放大后低頻信號路徑中誤差最小化。在第二部分中，我們將回顧電流感應(yīng)的一些基礎(chǔ)知識，并介紹如何在提供精確讀數(shù)的同時，利用運算放大器來實現(xiàn)系統(tǒng)功耗最小化。

電流感應(yīng)

設(shè)計者通過將一個非常小的“分流”電阻串聯(lián)在負載上，在兩者之間設(shè)置一個電流感應(yīng)放大器或運算放大器，實現(xiàn)用于系統(tǒng)保護和監(jiān)測的電流感應(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，精密的毫微功耗運算放大器則是理想的選擇。

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

在這兩種情況下，為了利用已知阻值的電阻來感應(yīng)電流，通過運算放大器來測量分流電阻兩端的電壓。運用歐姆定律（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。

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

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

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

這里要說明一點：由于你要測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。

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

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

示例

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

圖3：低側(cè)差動電流測量

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，使負載高于100μV。你首先要明白一點，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：

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

如果存在故障（如：開路，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計算出VSHUNT壓降的變化：

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

感謝閱讀“如何以毫微功耗運算放大器實現(xiàn)精密測量”系列的第二部分。我們希望這一系列文章能夠為你提供一些關(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算放大器的益處的見解。