引言

 

許多電流檢測電路遵循相同的簡(jiǎn)單方法：在檢測電阻器的兩端產(chǎn)生一個(gè)電壓降：放大該電壓，用一個(gè) ADC 讀取它，然后就知道電流的大小了。但是，如果檢測電阻器所處的電壓與系統地迥然不同，那么事情會(huì )很快變得復雜起來(lái)。典型解決方案可消除模擬或數字域中的電壓差。不過(guò)，這里有一種不同的方法，即采用無(wú)線(xiàn)方式。

 

高壓側電流檢測放大器在模擬域運行。這些 IC 是緊湊的，但是它們能夠承受的電壓差受到半導體工藝的限制。額定值超過(guò) 100V 的器件很稀有。而且，如果檢測電阻器的共模電壓快速變化或在高于和低于系統地之間擺動(dòng)，那么這類(lèi)電路的準確度常常會(huì )下降。

 

 

磁性或光隔離器常常破壞數字域的隔離勢壘。硬件可能更笨重一些，但工作時(shí)不損失準確度，一般可承受數千伏電壓。這類(lèi)電路需要一個(gè)隔離型電源，但是這種電源有時(shí)可以集成到隔離器組件中。如果檢測電阻器物理上是與主系統分隔開(kāi)的，那么也許還需要使用很長(cháng)的導線(xiàn)或電纜。

 

最近出現的低功率信號調理和無(wú)線(xiàn)技術(shù)提供了一種新方法。通過(guò)允許整個(gè)電路隨著(zhù)檢測電阻器的共模電壓浮置，并通過(guò)空中無(wú)線(xiàn)發(fā)送所測得的數據，電壓限制就不存在了。檢測電阻器可以放置在任何地方，無(wú)需使用電纜。如果電路的功率非常低，那么甚至不需要隔離型電源，用一塊小型電池就可運行很多年。

 

無(wú)線(xiàn)電流檢測

圖 1 所示電流檢測電路利用 LTC2063 斬波器穩定型運算放大器，以放大檢測電阻器兩端的壓降。微功率 SAR ADC AD7988 使壓降值數字化，并通過(guò) SPI 接口報告結果。 LTP5901-IPM 是無(wú)線(xiàn)模塊，可自動(dòng)與附近的其他節點(diǎn)形成一個(gè)基于 IP 的網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )。該器件還有一個(gè)內置微處理器，以讀取 AD7988 ADC SPI 端口。LTC3335 是一款毫微功率降壓-升壓型穩壓器，將電池電壓轉換成恒定輸出電壓。LTC3335 還包括一個(gè)庫倫計數器，以報告累計從電池抽取的電量。               

微功率零漂移運算放大器

為了最大限度減少檢測電阻器中產(chǎn)生的熱量，壓降一般限制到 10mV 至 100mV。測量這個(gè)范圍的電壓需要輸入電路具很低的失調誤差，例如零漂移運算放大器。LTC2063 是一款超低功率、斬波器穩定型運算放大器，最大電源電流為 2µA。由于失調電壓低于 10µV，所以該器件可以測量非常小的壓降而不會(huì )損失準確度。圖 2 示出了把 LTC2063 配置為對一個(gè) 10mΩ 檢測電阻器兩端的電壓進(jìn)行放大和電平移位的情形。選擇合適的增益以使檢測電阻器上的 ±10mV 全標度電壓 (對應于±1A 電流) 映射到輸出端上一個(gè)接近全標度范圍 (以中間電源為中心)。這個(gè)已放大信號饋送到 16 位 SAR ADC 中。之所以選擇 AD7988，是因為其非常低的備用電流和良好的 DC 準確度。在低采樣率時(shí)，ADC 在轉換之間自動(dòng)停機，從而使 1ksps 時(shí)的平均電流消耗低至 10µA。LT6656 電壓基準消耗不到 1µA 電流，并偏置放大器、電平移位電阻器和 ADC 的基準輸入。

 

圖 2：電流檢測電路隨檢測電阻器電壓浮動(dòng)。LTC2063 斬波運放放大檢測電壓并對其施加用于 AD7988 ADC 的中間電源軌偏置。LT6656-3 提供精準的 3V 基準。

 

工業(yè)強度的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)格

LTP5901-IPM 等 SmartMesh 無(wú)線(xiàn)模塊包括無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器、嵌入式微處理器和網(wǎng)絡(luò )軟件。當多個(gè) SmartMesh 節點(diǎn)在某個(gè)網(wǎng)絡(luò )管理器的附近上電時(shí)，這些節點(diǎn)自動(dòng)地相互識別確認并形成一個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )。一個(gè)網(wǎng)絡(luò )中的所有節點(diǎn)自動(dòng)地實(shí)現時(shí)間同步，這意味著(zhù)每個(gè)無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器僅在非常短暫的特定時(shí)間間隔期間上電。因此，每個(gè)節點(diǎn)能夠充當一個(gè)傳感器信息源，以及一個(gè)用于把數據從其他節點(diǎn)向管理器轉發(fā)的路由節點(diǎn)。這創(chuàng )建了一個(gè)高度可靠的低功率網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )，在該網(wǎng)絡(luò )中，從每個(gè)節點(diǎn)至管理器提供了多條通路，盡管所有的節點(diǎn) (包括路由節點(diǎn)) 均依靠非常低的功率工作。

 

LTP5901-IPM 包括一個(gè) ARM Cortex-M3 微處理器內核，該內核運行網(wǎng)絡(luò )軟件。此外，用戶(hù)可以編寫(xiě)應用固件，以執行特定于用戶(hù)應用的任務(wù)。在本例中，LTP5901-IPM 中的微處理器讀取電流測量 ADC (AD7988) 的 SPI 端口，并讀取庫倫計數器 (LTC3335) 的 I2C 端口。該微處理器還可以將斬波器運算放大器 (LTC2063) 置于停機模式，從而進(jìn)一步將其電流消耗從 2µA 降至 200nA。這在兩次測量之間時(shí)間間隔極長(cháng)的使用模式下，進(jìn)一步節省了功率。

 

毫微功率庫倫計數器

對測量電路而言，一個(gè)節點(diǎn)每秒報告一次的典型功耗低于 5µA，而無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器的功耗可能達到 40µA。實(shí)際上，功耗取決于各種因素，例如信號鏈路多長(cháng)時(shí)間獲取一次讀數，以及節點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò )中是怎樣配置的。

 

本文舉例的電路是用兩節堿性主電池供電的。電池輸入電壓由集成了庫倫計數器的 LTC3335 毫微功率降壓-升壓型轉換器調節。該轉換器可從一個(gè) 1.8V 至 5.5V 輸入電源提供一個(gè)穩定的 3.3V 輸出。視無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器是處于工作模式還是休眠模式而不同，占空比型無(wú)線(xiàn)應用的負載電流可能在 1µA 至 20mA 之間變化。LTC3335 在無(wú)負載時(shí)靜態(tài)電流僅為 680nA，當無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器和信號鏈路處于休眠模式時(shí)，這使整個(gè)電路保持了非常低的功率。另外，LTC3335 還可輸出高達 50mA 電流，這在無(wú)線(xiàn)電發(fā)送 / 接受時(shí)以及為各種信號鏈路電路提供了足夠的功率。

 

在高可靠性無(wú)線(xiàn)傳感器應用中，用光電池電量是絕對不可接受的。同時(shí)，太頻繁地更換電池會(huì )導致不希望發(fā)生的費用和宕機。結果是，需要能夠準確測量電池電量消耗的電路。 LTC3335 有一個(gè)內置庫倫計數器。無(wú)論何時(shí)，該穩壓器只要接通，就會(huì )跟蹤從電池吸取的總電量。這個(gè)信息可以用 I2C 接口讀出，然后可以用來(lái)預測電池更換時(shí)間。

 

總結

凌力爾特和 ADI 的信號鏈路、電源管理以及無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品相結合，可實(shí)現真正的無(wú)線(xiàn)電流檢測電路設計。圖 3 顯示了一個(gè)實(shí)例。新的超低功率 LTC2063 斬波器型運算放大器可準確讀出檢測電阻器兩端很小的壓降。包括微功率 ADC 和電壓基準在內的整個(gè)電路隨檢測電阻器的共模電壓而浮置。毫微功率 LTC3335 轉換器可用一個(gè)小型電池連續多年給電路供電，同時(shí)利用其內置庫倫計數器報告累計的電池電量使用情況。LTP5901-IPM 無(wú)線(xiàn)模塊管理整個(gè)應用，并自動(dòng)連接到一個(gè)高度可靠的 SmartMesh IP 網(wǎng)絡(luò )。

 

圖 3：在一塊小型電路板上實(shí)現的一個(gè)完整的無(wú)線(xiàn)電流檢測電路。惟一的物理連接是用于測量電流的香蕉插口。無(wú)線(xiàn)模塊顯示在右側。該電路用連接到電路板背面的兩節 AAA 電池供電。