圖 1:一個(gè)低功率無(wú)線電流檢測(cè)電路,由一個(gè)放大檢測(cè)電壓的低功率斬波器型運(yùn)算放大器構(gòu)成,用一個(gè)低功率 ADC 和基準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)字化,并連至一個(gè) SmartMesh IP™ 無(wú)線模塊。一個(gè)低功率 DC/DC 轉(zhuǎn)換器調(diào)理電池,并跟蹤從電池吸取的電量。
微功率零漂移運(yùn)算放大器支持無(wú)線電流檢測(cè)
發(fā)布時(shí)間:2021-06-21 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】許多電流檢測(cè)電路遵循相同的簡(jiǎn)單方法:在檢測(cè)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(cè)電阻器所處的電壓與系統(tǒng)地迥然不同,那么事情會(huì)很快變得復(fù)雜起來(lái)。典型解決方案可消除模擬或數(shù)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)線方式。
引言
許多電流檢測(cè)電路遵循相同的簡(jiǎn)單方法:在檢測(cè)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(cè)電阻器所處的電壓與系統(tǒng)地迥然不同,那么事情會(huì)很快變得復(fù)雜起來(lái)。典型解決方案可消除模擬或數(shù)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)線方式。
高壓側(cè)電流檢測(cè)放大器在模擬域運(yùn)行。這些 IC 是緊湊的,但是它們能夠承受的電壓差受到半導(dǎo)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(cè)電阻器的共模電壓快速變化或在高于和低于系統(tǒng)地之間擺動(dòng),那么這類(lèi)電路的準(zhǔn)確度常常會(huì)下降。
磁性或光隔離器常常破壞數(shù)字域的隔離勢(shì)壘。硬件可能更笨重一些,但工作時(shí)不損失準(zhǔn)確度,一般可承受數(shù)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(cè)電阻器物理上是與主系統(tǒng)分隔開(kāi)的,那么也許還需要使用很長(zhǎng)的導(dǎo)線或電纜。
最近出現(xiàn)的低功率信號(hào)調(diào)理和無(wú)線技術(shù)提供了一種新方法。通過(guò)允許整個(gè)電路隨著檢測(cè)電阻器的共模電壓浮置,并通過(guò)空中無(wú)線發(fā)送所測(cè)得的數(shù)據(jù),電壓限制就不存在了。檢測(cè)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(yùn)行很多年。
無(wú)線電流檢測(cè)
圖 1 所示電流檢測(cè)電路利用 LTC2063 斬波器穩(wěn)定型運(yùn)算放大器,以放大檢測(cè)電阻器兩端的壓降。微功率 SAR ADC AD7988 使壓降值數(shù)字化,并通過(guò) SPI 接口報(bào)告結(jié)果。 LTP5901-IPM 是無(wú)線模塊,可自動(dòng)與附近的其他節(jié)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(nèi)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(wěn)壓器,將電池電壓轉(zhuǎn)換成恒定輸出電壓。LTC3335 還包括一個(gè)庫(kù)倫計(jì)數(shù)器,以報(bào)告累計(jì)從電池抽取的電量。
圖 1:一個(gè)低功率無(wú)線電流檢測(cè)電路,由一個(gè)放大檢測(cè)電壓的低功率斬波器型運(yùn)算放大器構(gòu)成,用一個(gè)低功率 ADC 和基準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)字化,并連至一個(gè) SmartMesh IP™ 無(wú)線模塊。一個(gè)低功率 DC/DC 轉(zhuǎn)換器調(diào)理電池,并跟蹤從電池吸取的電量。
微功率零漂移運(yùn)算放大器
為了最大限度減少檢測(cè)電阻器中產(chǎn)生的熱量,壓降一般限制到 10mV 至 100mV。測(cè)量這個(gè)范圍的電壓需要輸入電路具很低的失調(diào)誤差,例如零漂移運(yùn)算放大器。LTC2063 是一款超低功率、斬波器穩(wěn)定型運(yùn)算放大器,最大電源電流為 2µA。由于失調(diào)電壓低于 10µV,所以該器件可以測(cè)量非常小的壓降而不會(huì)損失準(zhǔn)確度。圖 2 示出了把 LTC2063 配置為對(duì)一個(gè) 10mΩ 檢測(cè)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(cè)電阻器上的 ±10mV 全標(biāo)度電壓 (對(duì)應(yīng)于±1A 電流) 映射到輸出端上一個(gè)接近全標(biāo)度范圍 (以中間電源為中心)。這個(gè)已放大信號(hào)饋送到 16 位 SAR ADC 中。之所以選擇 AD7988,是因?yàn)槠浞浅5偷膫溆秒娏骱土己玫?DC 準(zhǔn)確度。在低采樣率時(shí),ADC 在轉(zhuǎn)換之間自動(dòng)停機(jī),從而使 1ksps 時(shí)的平均電流消耗低至 10µA。LT6656 電壓基準(zhǔn)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(zhǔn)輸入。
圖 2:電流檢測(cè)電路隨檢測(cè)電阻器電壓浮動(dòng)。LTC2063 斬波運(yùn)放放大檢測(cè)電壓并對(duì)其施加用于 AD7988 ADC 的中間電源軌偏置。LT6656-3 提供精準(zhǔn)的 3V 基準(zhǔn)。
工業(yè)強(qiáng)度的無(wú)線網(wǎng)格
LTP5901-IPM 等 SmartMesh 無(wú)線模塊包括無(wú)線電收發(fā)器、嵌入式微處理器和網(wǎng)絡(luò)軟件。當(dāng)多個(gè) SmartMesh 節(jié)點(diǎn)在某個(gè)網(wǎng)絡(luò)管理器的附近上電時(shí),這些節(jié)點(diǎn)自動(dòng)地相互識(shí)別確認(rèn)并形成一個(gè)無(wú)線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步,這意味著每個(gè)無(wú)線電收發(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(jié)點(diǎn)能夠充當(dāng)一個(gè)傳感器信息源,以及一個(gè)用于把數(shù)據(jù)從其他節(jié)點(diǎn)向管理器轉(zhuǎn)發(fā)的路由節(jié)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(jié)點(diǎn)至管理器提供了多條通路,盡管所有的節(jié)點(diǎn) (包括路由節(jié)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(nèi)核,該內(nèi)核運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)軟件。此外,用戶(hù)可以編寫(xiě)應(yīng)用固件,以執(zhí)行特定于用戶(hù)應(yīng)用的任務(wù)。在本例中,LTP5901-IPM 中的微處理器讀取電流測(cè)量 ADC (AD7988) 的 SPI 端口,并讀取庫(kù)倫計(jì)數(shù)器 (LTC3335) 的 I2C 端口。該微處理器還可以將斬波器運(yùn)算放大器 (LTC2063) 置于停機(jī)模式,從而進(jìn)一步將其電流消耗從 2µA 降至 200nA。這在兩次測(cè)量之間時(shí)間間隔極長(zhǎng)的使用模式下,進(jìn)一步節(jié)省了功率。
毫微功率庫(kù)倫計(jì)數(shù)器
對(duì)測(cè)量電路而言,一個(gè)節(jié)點(diǎn)每秒報(bào)告一次的典型功耗低于 5µA,而無(wú)線電收發(fā)器的功耗可能達(dá)到 40µA。實(shí)際上,功耗取決于各種因素,例如信號(hào)鏈路多長(zhǎng)時(shí)間獲取一次讀數(shù),以及節(jié)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(jié)堿性主電池供電的。電池輸入電壓由集成了庫(kù)倫計(jì)數(shù)器的 LTC3335 毫微功率降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)。該轉(zhuǎn)換器可從一個(gè) 1.8V 至 5.5V 輸入電源提供一個(gè)穩(wěn)定的 3.3V 輸出。視無(wú)線電收發(fā)器是處于工作模式還是休眠模式而不同,占空比型無(wú)線應(yīng)用的負(fù)載電流可能在 1µA 至 20mA 之間變化。LTC3335 在無(wú)負(fù)載時(shí)靜態(tài)電流僅為 680nA,當(dāng)無(wú)線電收發(fā)器和信號(hào)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(dá) 50mA 電流,這在無(wú)線電發(fā)送 / 接受時(shí)以及為各種信號(hào)鏈路電路提供了足夠的功率。
在高可靠性無(wú)線傳感器應(yīng)用中,用光電池電量是絕對(duì)不可接受的。同時(shí),太頻繁地更換電池會(huì)導(dǎo)致不希望發(fā)生的費(fèi)用和宕機(jī)。結(jié)果是,需要能夠準(zhǔn)確測(cè)量電池電量消耗的電路。 LTC3335 有一個(gè)內(nèi)置庫(kù)倫計(jì)數(shù)器。無(wú)論何時(shí),該穩(wěn)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(yù)測(cè)電池更換時(shí)間。
總結(jié)
凌力爾特和 ADI 的信號(hào)鏈路、電源管理以及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品相結(jié)合,可實(shí)現(xiàn)真正的無(wú)線電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)。圖 3 顯示了一個(gè)實(shí)例。新的超低功率 LTC2063 斬波器型運(yùn)算放大器可準(zhǔn)確讀出檢測(cè)電阻器兩端很小的壓降。包括微功率 ADC 和電壓基準(zhǔn)在內(nèi)的整個(gè)電路隨檢測(cè)電阻器的共模電壓而浮置。毫微功率 LTC3335 轉(zhuǎn)換器可用一個(gè)小型電池連續(xù)多年給電路供電,同時(shí)利用其內(nèi)置庫(kù)倫計(jì)數(shù)器報(bào)告累計(jì)的電池電量使用情況。LTP5901-IPM 無(wú)線模塊管理整個(gè)應(yīng)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(xiàn)的一個(gè)完整的無(wú)線電流檢測(cè)電路。惟一的物理連接是用于測(cè)量電流的香蕉插口。無(wú)線模塊顯示在右側(cè)。該電路用連接到電路板背面的兩節(jié) AAA 電池供電。
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