【導讀】為數據處理、網(wǎng)絡(luò )、便攜式、可穿戴和其他計算應用設計并優(yōu)化電源解決方案，需要對電壓和電流進(jìn)行精確、寬帶、高動(dòng)態(tài)范圍的測量。這些系統可能包含一個(gè)、數十個(gè)或數百個(gè)中央處理單元(CPU)、圖形處理單元 (GPU)、網(wǎng)絡(luò )接口、存儲硬件和各種支持電路。為了響應不斷變化的系統需求，這些電路可能在幾微秒內從消耗數微安電流的空閑狀態(tài)轉換到消耗數百安培電流的滿(mǎn)載狀態(tài)。

為數據處理、網(wǎng)絡(luò )、便攜式、可穿戴和其他計算應用設計并優(yōu)化電源解決方案，需要對電壓和電流進(jìn)行精確、寬帶、高動(dòng)態(tài)范圍的測量。這些系統可能包含一個(gè)、數十個(gè)或數百個(gè)中央處理單元(CPU)、圖形處理單元 (GPU)、網(wǎng)絡(luò )接口、存儲硬件和各種支持電路。為了響應不斷變化的系統需求，這些電路可能在幾微秒內從消耗數微安電流的空閑狀態(tài)轉換到消耗數百安培電流的滿(mǎn)載狀態(tài)。

自動(dòng)測試設備(ATE)測試解決方案和功率分析儀通常使用多個(gè)通道來(lái)精確捕獲電流、電壓或功率曲線(xiàn)，并在更寬帶寬上測量諧波。此外，低壓電源軌具有嚴格的噪聲要求，必須在不同的負載條件、溫度下進(jìn)行表征，并考慮旁路電容隨時(shí)間的退化。

圖1所示ADI電路提供了一個(gè)完整的寬范圍電流測量系統，適合這些具有挑戰性的應用。精度、帶寬和漂移性能與適用于生產(chǎn)測試環(huán)境的臺式和機架安裝式測試設備處于同一水平。同時(shí)，該解決方案足夠小，可以集成到這些需要持續監控的應用中。當對快速瞬變和小信號電平進(jìn)行數字化處理時(shí)，15MSPS的采樣速率大大放寬了抗混疊濾波器要求并最大限度地提高了帶寬。為了適應所執行的特定測量，可以應用額外的過(guò)采樣來(lái)權衡噪聲和帶寬。

圖1.ADI EVAL-CN0560-FMCZ簡(jiǎn)化功能框圖

評估和設計支持

? 電路評估板

? CN0560參考設計板(EVAL-CN0560-FMCZ)

? SDP-H1開(kāi)發(fā)平臺(EVAL-SDP-H1)

? 設計和集成文件

? 原理圖、布局文件、物料清單

電路描述

ADI CN0560使用分流電阻、板載放大器和μModule?的組合提供三個(gè)電流量程的高精度測量。盡管有尺寸限制，該解決方案不僅增加了每片電路板的通道數量，緩解了熱挑戰，減輕了自熱引起的系統漂移校準負擔，而且優(yōu)化了整體精度性能。CN0560非常適合于自動(dòng)化測試設備、電源（如CPU/GPU供電軌中）監控和分析儀中使用的測試儀器。

最常見(jiàn)的電流測量技術(shù)包含分流電阻、模擬前端(AFE)和模數轉換器 (ADC)，然后是微控制器或現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)。CN0560提供寬帶寬前端，并將分流電阻上產(chǎn)生的小差分電壓轉換為較大電壓來(lái)饋送，然后將其數字化。

● 電流輸入

CN0560能夠測量三種電流輸入范圍：10μA、10mA和10A。電流輸入范圍通過(guò)控制高電壓、防閂鎖、低毛刺、快速建立的多路復用器ADG5209來(lái)選擇（通過(guò)A0、A1）；根據板載跳線(xiàn)的配置方式，可以手動(dòng)或通過(guò)軟件進(jìn)行設置。表1顯示了每個(gè)電流量程的跳線(xiàn)配置。圖2顯示了10μA電流量程的簡(jiǎn)化CN0560評估設置。

施加來(lái)自電流源的10μA、10mA和10A已知電流，使用萬(wàn)用表通過(guò)電壓檢測墊測量每個(gè)分流電阻（0.05Ω、5Ω和5kΩ）上產(chǎn)生的差分電壓。通過(guò)每個(gè)分流電阻的電流產(chǎn)生50mV的最大電壓降。該電壓由ADA4898-1 放大器（默認增益為40）放大，然后饋入ADAQ23878 μModule?的差分輸入。

表1.電流量程選擇

圖2.簡(jiǎn)化評估測試設置，10μA范圍

將每個(gè)分流電阻上的電壓讀數與μModule輸出端的實(shí)際電壓讀數進(jìn)行比較。該電路的整體精度受多個(gè)誤差源影響，包括分流器、放大器和μModule的電阻溫度系數(TCR)，以及電流源或萬(wàn)用表本身的精度。然而，分流電阻的選擇在決定該電路的精度方面起著(zhù)主導作用。圖3和圖4顯示了分流電阻對CN0560的影響。

圖3.CN0560 FFT，無(wú)過(guò)采樣（使用分流電阻）

圖4.CN0560 FFT，OSR為256（使用分流電阻）

● 輸入保護

36V雙向瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)二極管和100Ω電阻保護分流器輸入，使其免受靜電放電(ESD)沖擊和過(guò)壓狀況的影響。多路復用器輸入可直接承受高達+/-15V的輸入電壓；高于此的電壓會(huì )產(chǎn)生額外的電流，受100Ω電阻的限制。

● 增益級

在選定多路復用器輸入之后有兩個(gè)低噪聲、高速放大器 ADA4898-1，以及驅動(dòng)ADAQ23878信號鏈μModule的四通道精密匹配電阻網(wǎng)絡(luò )LT5400。LT5400-7提供0.2ppm/°C的匹配漂移和0.01%的電阻匹配，工作溫度范圍很寬，CMRR優(yōu)于獨立匹配電阻。默認情況下，使用外部增益設置電阻將兩個(gè)ADA4898-1放大器設置為增益40的全差分配置。40倍增益在A(yíng)DAQ23878的輸入端產(chǎn)生2.0V的滿(mǎn)量程電壓，當ADAQ23878配置為+/-2.048V范圍時(shí)，SNR得以最大化。

● 數字化前端

圖1中的一個(gè)關(guān)鍵模塊是ADAQ23878 μModule，它包括一個(gè)低噪聲、全差分放大器(FDA)、一個(gè)穩定的基準電壓緩沖器、一個(gè)15MSPS 18位逐次逼近型ADC，以及實(shí)現優(yōu)化性能所需的關(guān)鍵無(wú)源元件。

ADAQ23878 μModule是一種系統級封裝(SiP)解決方案，可提供精密性能，減少終端系統元件數量，并在電路板空間約束下提高通道密度。它還緩解了與電流測量測試設備相關(guān)的校準負擔和熱挑戰，但沒(méi)有與高集成度專(zhuān)用集成電路(ASIC)相關(guān)的高成本。

FDA周?chē)木茈娮桕嚵胁捎肁DI專(zhuān)有的iPassives?技術(shù)構建。這消除了電路不平衡，減少了寄生效應，提供高達0.005%的出色增益匹配，并實(shí)現了0.13ppm/°C的優(yōu)化漂移性能。與分立無(wú)源元件相比，iPassives技術(shù)還有尺寸優(yōu)勢，可最大限度地減少與溫度相關(guān)的誤差源并減輕系統級校準負擔。

FDA提供快速建立時(shí)間、寬共模輸入范圍以及精確的可配置增益選項（0.37、0.73、0.87、1.38和2.25），允許進(jìn)行增益或衰減調節，支持全差分或單端轉差分輸入。

● 過(guò)采樣和抗混疊

ADAQ23878的高精度性能與高采樣速率相結合，可降低噪聲并支持過(guò)采樣，以實(shí)現極低的RMS噪聲并在寬帶寬內檢測小幅度信號。

使用4.096V基準電壓并在輸入短接地的情況下進(jìn)行測量，ADAQ23878的典型動(dòng)態(tài)范圍約為89dB，如圖5所示。由于許多電流測量應用的帶寬低于7.5MSPS，因此可以應用過(guò)采樣來(lái)提高動(dòng)態(tài)范圍。

圖5.無(wú)過(guò)采樣的FFT（輸入短路）

過(guò)采樣是指以比兩倍信號帶寬（滿(mǎn)足奈奎斯特標準所必需）快得多的速度進(jìn)行采樣。以?xún)杀缎盘枎挷蓸訒r(shí)，模擬抗混疊濾波器存在嚴格的限制，因為任何高于的噪聲或干擾音都會(huì )混疊進(jìn)入通帶?；殳B的傳統解決方案是使用高階濾波器，但這需要權衡精度、通帶紋波、阻帶抑制、群延遲和功耗。低采樣率還將ADC的所有量化和熱噪聲集中在信號頻帶中。過(guò)采樣有兩方面效應：

? 模擬抗混疊濾波器可能有更高的截止頻率和/或更低的階數。

? ADC噪聲分布在寬得多的帶寬上，帶內噪聲得以降低。

圖6.過(guò)采樣對抗混疊濾波器要求的影響

圖6說(shuō)明了過(guò)采樣的影響?？捎眯盘枎挒?img src="/media/2-8_20230215175119_850.png" title="搞定電路設計之高精度、寬帶寬電流測量信號鏈" alt="搞定電路設計之高精度、寬帶寬電流測量信號鏈" style="box-sizing: border-box; border: 0px; vertical-align: middle; max-width: 100%; text-align: center; text-indent: 0em; width: 58px; height: 37px;" width="58" height="37" border="0" vspace="0"/>，模擬濾波器的截止頻率可以提高到。信號通帶遠低于模擬濾波器的過(guò)渡帶，從而將通帶紋波的影響降至最低。信號通帶響應以數字低通濾波器的響應為主，該響應在整個(gè)溫度范圍內具有確定性和穩定性，并且對元件容差不敏感（與模擬濾波器不同）。大部分數字濾波器會(huì )將輸出數據抽取到較低的速率，從而降低數據處理要求。例如，級聯(lián)積分梳狀(CIC)濾波器輸出的抽取因子等于OSR。

過(guò)采樣帶來(lái)的動(dòng)態(tài)范圍(DR)改善幅度可以使用公式1計算。

其中：OSR為過(guò)采樣數據速率。

過(guò)采樣每增加4倍，分辨率就會(huì )增加1位，或者動(dòng)態(tài)范圍增加6dB。對ADAQ23878的輸出進(jìn)行256倍的過(guò)采樣會(huì )產(chǎn)生58.594kSPS (15MSPS/256)的輸出數據速率。對于不同增益選項，這對應于29.297kHz的信號帶寬和接近111dB的動(dòng)態(tài)范圍，因此它能精確檢測幅度非常小的μV信號，如圖7所示。

圖7.OSR為256的FFT（輸入短路）

● 差分驅動(dòng)ADAQ23878

選擇ADA4898-1前端放大器是因為它具有寬帶寬、高壓擺率、低噪聲或失真特性。它還能以15MSPS的全速輕松驅動(dòng)ADAQ23878的低輸入阻抗，并實(shí)現優(yōu)化性能。

● 基準電壓

ADAQ23878內置一個(gè)2.048V、20ppm/°C基準電壓源(REF)和一個(gè)基準電壓緩沖器(REFBUF)，后者相對于REF具有2倍的固定增益?；鶞孰妷壕彌_器的4.096V輸出決定了ADAQ23878的滿(mǎn)量程輸入范圍。

在需要較低漂移的應用中，REF或REFBUF都可以過(guò)驅。CN0560包括從板載2.048V ADR4520過(guò)驅REF的選項，其初始精度為0.025%，漂移為2ppm/°C?；蛘?，板載LTC6655可以過(guò)驅REFBUF，其初始精度為0.025%（最大值），溫度系數為2ppm/°C（最大值）。

● 電源樹(shù)

EVAL-CN0560-FMCZ使用帶有FPGA夾層卡(FMC)連接器的FPGA控制器板進(jìn)行數據采集。板上的所有電源軌均由源自控制器板的3.3V電壓軌生成。電源樹(shù)是利用系統級電源架構設計工具LTpowerPlanner?設計的。

圖8顯示了CN0560電源樹(shù)的框圖。兩個(gè)LTM8049雙通道SEPIC或反相μModule DC/DC轉換器從3.3V電源軌產(chǎn)生+7V、-2.5V、+15.5V 和 -15.5V電壓軌。LT3023雙通道、低噪聲、微功耗LDO從 +7V產(chǎn)生+5V和+6.5V電壓軌，而ADP7185超低噪聲LDO從-2.5V產(chǎn)生-2V電壓軌。

+6.5V和-2V電壓軌用于A(yíng)DAQ23878的集成FDA，而+5V電壓軌用于LTC6655以產(chǎn)生4.096V基準電壓。來(lái)自第二LTM8049的+15.5V和-15.5V兩個(gè)電壓軌被饋送到LT3032雙通道LDO，為ADA4898-1和ADG5209產(chǎn)生+15V和-15V電壓軌。低噪聲LDO ADP7118為ADR4520生成+2.5V電壓軌，以產(chǎn)生2.048V基準電壓。CN0560的總功耗約為910mW，不包括分流電阻的功耗。

圖8.電源簡(jiǎn)化框圖

● PCB布局布線(xiàn)

印刷電路板(PCB)布局對于保持信號完整性和實(shí)現最佳性能至關(guān)重要。圖9顯示了CN0560板信號鏈部分的PCB布局。此電路板布局使用內置開(kāi)爾文連接的四端子分流電阻，與兩端子分流電阻相比，它能降低TCR效應并提供更高的溫度穩定性。

必須使用帶開(kāi)爾文連接的四端子電流檢測電阻，將流過(guò)分流電阻的高電流保持在檢測路徑之外。流過(guò)電阻的高電流和電壓測量分別有單獨的終端，這有助于最大限度地提高測量精度。

為每個(gè)校準電流都實(shí)現了最優(yōu)檢測布局。對于阻值非常低的電阻（5mΩ或更?。?，焊盤(pán)上檢測點(diǎn)的物理位置和流過(guò)電阻的電流的對稱(chēng)性更為重要。例如，具有開(kāi)爾文連接的四端子高精度金屬箔電阻(5mΩ)用于10A電流量程。該電阻的TCR為± 0.05ppm/°C，容差為0.1%，尺寸非常小(<10mm x 10mm)，因此沿焊盤(pán)的每毫米電阻都會(huì )影響有效電阻。

圖9.信號鏈的PCB布局

建議使用多層板，ADAQ23878 μModule下方第一層中應有干凈的內部接地層。電路板上的各個(gè)元件和各種信號的布線(xiàn)也必須小心放置。此外，輸入和輸出信號的布線(xiàn)最好對稱(chēng)。

μModule的接地引腳必須使用多個(gè)過(guò)孔直接焊接到PCB的接地層。此外，必須移除μModule輸入和輸出引腳下方的接地層和電源層，以避免出現干擾寄生電容。任何干擾寄生電容都可能影響信號鏈的失真和線(xiàn)性度性能。敏感的模擬部分和數字部分必須在PCB上分開(kāi)，同時(shí)使電源電路遠離模擬信號路徑?？焖匍_(kāi)關(guān)信號（比如CNV±或CLK±）以及數字輸出DA±和DB±不得靠近或越過(guò)模擬信號路徑，以防噪聲耦合到μModule。

板載LDO的輸出端應添加至少2.2μF (X5R)的優(yōu)質(zhì)陶瓷旁路電容，以最大限度地降低電磁干擾(EMI)敏感度，并減少毛刺對電源線(xiàn)的影響。所有其他必需的旁路電容都包含在A(yíng)DAQ23878中，從而節省電路板空間并降低成本。

常見(jiàn)變化

具有+2倍固定增益的ADAQ23875和具有與ADAQ23878類(lèi)似增益選項的ADAQ23876是引腳兼容的16位、15MSPS、低壓差分信號(LVDS)接口信號鏈μModule，可替代ADAQ23878。

低噪聲JFET放大器ADA4627-1是ADA4898-1的引腳兼容替代產(chǎn)品，性能相差不大。請注意，由于帶寬較低，ADA4627-1可能無(wú)法以15MSPS的全速驅動(dòng)ADAQ23878。

電路評估與測試

EVAL-CN0560-FMCZ使用SDP-H1控制板支持高精度數據采集，并使用分析、控制、評估(ACE)軟件采集時(shí)域和頻域數據。有關(guān)測試設置的完整詳細信息，請參閱EVAL-CN0560-FMCZ用戶(hù)指南。

● 設備要求

? EVAL-CN0560-FMCZ

? 電流源

? EVAL-SDP-CH1Z

? 數字萬(wàn)用表

? 評估軟件

● 開(kāi)始使用

1.使用EVAL-CN0560-FMCZ板之前，請先下載ACE軟件和SDP-H1驅動(dòng)程序并將其安裝到PC。

2.將EVAL-CN0560-FMCZ和SDP-H1板連接到 PC。

3.啟動(dòng)ACE軟件。

4.使用適當的操作設置正確設置多個(gè)跳線(xiàn)選項，然后將電源和信號施加到EVAL-CN0560-FMCZ。請注意，EVAL-CN0560-FMCZ板不需要外部電源適配器，它通過(guò)160引腳FMC連接器從SDP-H1板獲取電源。

5.斷開(kāi)EVAL-CN0560-FMCZ與SDP-H1板的連接之前，請先斷開(kāi)SDP-H1板的電源或撥動(dòng)mini USB端口附近的復位開(kāi)關(guān)。

● 測量

圖10顯示積分線(xiàn)性度(INL)數據在+/-2.5LSB以?xún)?，該數據是使用此板捕獲的，運行速度為15MSPS，增益為1.38，ADAQ23878前端分別設置為10mA和10μA。

圖10.10mA和10μA范圍的INL數據

圖11顯示了三個(gè)電流量程的動(dòng)態(tài)范圍。用戶(hù)可以在數字域中進(jìn)行過(guò)采樣或平均，以改善噪聲性能，并針對目標帶寬精確捕獲小幅度信號，放寬對抗混疊濾波器的要求。

圖11.動(dòng)態(tài)范圍與ADAQ23878增益的關(guān)系

圖12所示曲線(xiàn)的Y軸表示計算得出的理想電壓，對應的是μModule的輸出電壓，其中輸入電流從1mA上升到10mA，增益分別為0.87和1.38。

圖12.信號鏈輸出電壓與輸入電流的關(guān)系

圖13顯示了未校準信號鏈的理想輸出電壓誤差與實(shí)測輸出電壓誤差，可以看到精度為0.01%，使用的是圖10中收集的數據。增益誤差主要取決于±0.1%容差的電流檢測電阻。

圖13. μModule輸出電壓誤差與輸入電流的關(guān)系（未校準）

更多資料

-O'Sullivan, Marcus.改進(jìn)低值分流電阻的焊盤(pán)布局，優(yōu)化高電流檢測精度?！赌M對話(huà)》46-06，2012年6月。

-Pachchigar，Maithil。利用過(guò)采樣提高SAR ADC的動(dòng)態(tài)范圍。Analog.com

-Mark Thoren和Sal Afzal。了解電源監控精度。Analog.com

-μModule LGA和BGA封裝考慮和裝配說(shuō)明。Analog.com

數據手冊和評估板

CN0560電路評估板、ADAQ23878數據手冊、ADAQ23878評估板、ADA4898-1數據手冊、ADA4898-1評估板、LT5400數據手冊、LTM8049數據手冊、LTM8049評估板、LT3023數據手冊、LT3023評估板、LT3032數據手冊、LT3032評估板、ADP7185數據手冊、ADP7185評估板、ADP7118數據手冊、ADP7118評估板、AD8421數據手冊、AD8421評估板、ADG5209數據手冊、ADG5209評估板LTC6655數據手冊、LTC6655評估板、ADR4520數據手冊

ESD警告

ESD（靜電放電）敏感器件。帶電器件和電路板可能會(huì )在沒(méi)有察覺(jué)的情況下放電。盡管本產(chǎn)品具有專(zhuān)利或專(zhuān)有保護電路，但在遇到高能量ESD時(shí)，器件可能會(huì )損壞。因此，應當采取適當的ESD防范措施，以避免器件性能下降或功能喪失。

ADI的Circuits from the Lab?電路由ADI工程師設計構建。每個(gè)電路的設計和構建都嚴格遵循標準工程規范，電路的功能和性能都在實(shí)驗室環(huán)境中以室溫條件進(jìn)行了測試和檢驗。不過(guò)，您需負責自行測試電路，并確定其是否適用。因而，ADI將不對由任何原因、連接到任何所用參考電路上的任何物品所導致的直接、間接、特殊、偶然、必然或者懲罰性的損害負責。

Circuits from the Lab電路僅供與ADI產(chǎn)品一起使用，并且其知識產(chǎn)權歸ADI或其授權方所有。雖然您可以在產(chǎn)品設計中使用參考電路，但是并未默認授予其它許可，或是通過(guò)此參考電路的應用及使用而獲得任何專(zhuān)利或其它知識產(chǎn)權。ADI確信其所提供的信息是準確可靠的。不過(guò)，Circuits from the Lab電路是以“原樣”的方式提供的，并不具有任何性質(zhì)的承諾，包括但不限于：明示、暗示或者法定承諾，任何適銷(xiāo)性、非侵權或者某特定用途實(shí)用性的暗示承諾，ADI無(wú)需為參考電路的使用承擔任何責任，也不對那些可能由于其使用而造成任何專(zhuān)利或其它第三方權利的侵權負責。ADI有權隨時(shí)修改任何參考電路，恕不另行通知。

關(guān)于A(yíng)DI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導體公司，致力于在現實(shí)世界與數字世界之間架起橋梁，以實(shí)現智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng )新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術(shù)的解決方案，推動(dòng)數字化工廠(chǎng)、汽車(chē)和數字醫療等領(lǐng)域的持續發(fā)展，應對氣候變化挑戰，并建立人與世界萬(wàn)物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財年收入超過(guò)120億美元，全球員工2.4萬(wàn)余人。攜手全球12.5萬(wàn)家客戶(hù)，ADI助力創(chuàng )新者不斷超越一切可能。

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