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适合高可靠度系统的先进电流感测技术
 

【作者: Ken Yang】2007年11月15日 星期四

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基本的高电压端电流感测放大器

采用电阻方式的电流感测技术具备有简单易用、低成本、高线性度而且不需调校等优点,电阻两端电压与流经它的电流大小成正比,这就是熟知的奥姆定律(V=IR)。不过要特别注意的是,所有的电阻都会在电流经过时消耗功率,同时这个消耗动作也会产生可能影响电阻值的热能,因此感测电阻上所产生的热能必须要谨慎地加以处理。


较大的感测电阻值可以带来较高的精确度,但却会消耗更多的功率(P=I2R),其中I为测量所得的电流,R则为感测电阻值,所测得的电流大小会依应用而有所不同,并不是设计上的参数,因此感测电阻值必须尽可能地维持在较低的水平,以便将焦耳发热(joule heating)降到最低。


选择较小的感测电阻值会造成电阻两端较低的感测电压,因此就需要一个放大器来将这个电压放大到适合与比较器、模拟数字转换器或其他外部电路介接的位准,较低的感测电压容易受到由偏压电流所造成测量误差、以及放大器输入偏移电压的影响,例如在实际应用上,感测电压的范围大约为50mV到200mV,如果放大器的最大输入偏移电压为5mV,那么在全幅电压为50mV时,测量误差就高达10%,在电流较低的情况下,数字基本上会更糟。


电流感测放大器必须要有低输入偏移电压以及低输入偏压电流,(图一)中一款专用的高电压端电流感测放大器在电压源,如电池与负载间加入一颗感测电阻,透过避免接地面上的额外电阻值,这样的安排大幅简化了印刷电路板的布局设计,同时也可以改善整体电路的效能。流经感测电阻RSENSE的电流会产生压降,这个压降透过运算放大器加以感测并推动MOSFET晶体管透过R吸入电流,电阻R上的压降就等于感测电阻两端的电压:


KISENSERSENSE=IOR


IO=KISENSE(RSENSE/R)


因此,


VO=KISENSE(RSENSE/R)RO


感测输出电流与负载电流成正比,通常电路中会加入一个电流镜来将输出电流放大K倍,如果需要电压式输出,那么可以在电流输出与接地间安排一个输出电阻RO来将电流转换为电压,电阻R与RO可以在出厂前透过调整达到误差低于1%的电流感测精确度。


电流监测与保护

高可靠度的电源电流通常会加入短路或过载保护,请见(图二)(a),图中的芯片电流传感器MAX4373整合了参考电路、比较器与闩锁器,其中R1与R2用来控制动作电流,比较器将电流传感器输出电压与参考电压比较,当负载电流达到最大可允许范围时,比较器输出就会透过将输出闩锁在逻辑高电位来关闭P信道MOSFET,这时就不会有电流流经负载,P信道MOSFET会保持在断开状态直到电源的重置开关被按下。


电池充电器以及其他应用则必须监测因短路所造成的过电流或者是开路所造成的电流过低问题,为了达成这个功能,图二(b)中的电流窗侦测器与图二(a)中的电路类似,但加入了第二个比较器来监测电流过低的情形,两个比较器的输出都为开汲极,因此可以以OR联机的方式加以连接或保持独立输出,当所监测的电流离开电流窗所设定的范围时,芯片就会透过触发一个错误情况对系统发生警示。



《图一 这个高电压端电流传感器利用奥姆定律进行电流测量》
《图一 这个高电压端电流传感器利用奥姆定律进行电流测量》

热抽换控制器

热抽换控制器是一种特别且较为复杂的电流传感器,主要目的是应用在服务器系统输出入电路卡等系统电路卡应用上,它让我们能够在系统运行当中插入或移除电路卡而不会影响系统上的其他电路造成中断,如果没有热抽换控制器,那么插入或移除电路卡时可能会造成系统电源的短路并中断系统的运作,同时电路板上的电容也会在卡片插入时快速充电,所造成的冲入电流可能会暂时将系统电源电压拉低到超过所能容忍的范围。


如(图三)中的热抽换控制器主要是设计来解决这些问题,它整合了和缓启动(soft-start)功能以便将冲入电流降到安全的水平,当错误发生,例如过载或短路时,控制器会将电路卡与系统的其他部分加以隔离。


举例来说,MAX5933A系列热抽换控制器可以在运作中的背板上,安全地插入或移除电路卡而不会造成背板电压线路的问题,在启动时,控制器扮演了电流调节的角色,透过外部感测电阻与MOSFET来限制负载所能够提取的电流量,内部电路会逐渐缓慢提高所监测的电流大小,因此可以避免过大的冲入电流。


感测电阻同时也可以用来限制电流大小,如果FB输入接脚感测到短路情况,那么芯片就会将电流限制降低3.9倍,例如当使用25mΩ的感测电阻时,会将正常的运作电流限制设在1.88A,但在短路情况发生时则会将限制降低到480mA。热抽换控制器通常会包含一个当电流限制值没有在指定时间内降低,就将MOSFET关闭以保护电源总线的定时器,其他的热抽换功能还包括有电压过低、过电压以及温度过热等保护。



《图二 (a)当芯片侦测到过载情况时,它的短路保护电路会关闭P信道MOSFET将负载隔开》
《图二 (a)当芯片侦测到过载情况时,它的短路保护电路会关闭P信道MOSFET将负载隔开》

残余电量测量与电池管理

图一中的电流感测放大器是一个相当简单且通用的组件,但另一方面,例如残余电量测量与电池管理等特殊应用则需要在芯片中整合更多的功能,请参考(图四)。对电池应用来说,残余电量的测量相当重要,原因是需要透过精确监测电池残余电量以便将系统效能优化并延长电池的使用时间。


例如笔记本电脑中所使用的电池组通常会整合智能型残余电量测量功能来进行充放电的监测与控管,这类残余电量测量组件通常拥有能够追踪累积电荷与放电动作的数字电荷计数器(Coulomb counter),因此当电池接收到以库伦(Coulomb)为单位的特定数量电荷后就成为完全充电状态,相同地,当特定电荷量由电池离开时就是完全放电状态。请记住一安培的电流就等于每秒一库伦的电量,因此,电流的时间积分值就等于整体的电荷量,电流感测放大器会测量电池电流,而电荷计数器则可以做为计算充电或放电周期中整体电荷量的时间积分器。


残余电量测量应用的电流传感器需要具备有双向电流测量的能力,当对电池组进行充电时,最高电荷量由用户设定,当电荷计数器到达设定值时便会警告微控器来停止充电,原因是电池已经完全充电,相同地,在电池正常使用的放电情况下,电量测量功能就可以做为通知用户电池残余电量的电量计,当电荷计数器到达所设定的最低限制时,会通知微控器电池已经放空以避免过度放电情况的发生,因此电荷计数器可以透过避免过度充电与放电来延长电池的使用寿命。


电流传感器通常也能够透过持续监测所流经的电流量来提供过载或短路保护,透过在短路时关闭MOSFET,电流感测放大器可以将电池脱机以避免受到短路错误的破坏。



《图三 这个热抽换控制器MAX5933A能够保护电源总线,避免冲入电流突波与短路情况的破坏》
《图三 这个热抽换控制器MAX5933A能够保护电源总线,避免冲入电流突波与短路情况的破坏》

《图四 残余电量测量组件会透过监测流入与流出电池组的电荷量,来追踪充电与放电电流》
《图四 残余电量测量组件会透过监测流入与流出电池组的电荷量,来追踪充电与放电电流》

动态电源控制器

对使用在手机应用中的功率放大器来说,精确的功率放大器电源电流控制可以延长电池使用与通话时间,当手机接近基地台时,由于不需要高传输功率,因此可以降低功率放大器的电流,但还是能够维持良好的信号传输,当手机远离基地台或出现太多干扰时,发射电路就需要较高的输出功率以及较大的电源电流,因此,透过对功率放大器电源电流进行动态调整可以将耗电降到最低,同时还能延长通话时间。


虽然与图一中的电流传感器类似,(图五)中功率放大器的电流控制器整合了误差放大器并采闭回路方式运作,它的动作原理与电流源类似。误差放大器A3会将感测电阻RSENSE与RG1上的IR压降加以比较积分,并将输出提供给功率放大器的增益控制输入GC,A3会提高增益以及功率放大器的输出功率,因而加大电源电流直到两个IR压降相同为止。由A2、Q1与RG3所组成的电压电流转换器控制了RG1两端的压降,用户可以透过PC输入由外部来控制功率放大器的电源电流。



《图五 这个电流控制器MAX4473可以动态调整电源电流以便将耗电降到最低,同时还能维持良好的信号完备性》
《图五 这个电流控制器MAX4473可以动态调整电源电流以便将耗电降到最低,同时还能维持良好的信号完备性》

先进的电流感测功能

对笔记本电脑中的所使用的电池来说,电池两端的电压会随着放电而改变,因此最好使用功率监测取代电流监测来提高安全性。传送给负载的功率定义为负载电压乘上负载电流,因此功率监测集成电路必须包含具备电压输出的电流感测电路以及一个模拟乘法器,高电压端的电流传感器提供了正比于负载电流的输出电压,这个电压乘上负载电压的比率分数就可以得到正比于负载功率的输出电压。


举例来说,功率监测芯片MAX4210就是针对笔记本电脑中的电池监测应用所设计,它的4V到28V共模电压范围可以符合各种不同的电池电压,要测量电流,可以在电源,也就是电池与负载间的路径加入感测电阻,接着由电流感测放大器将正比于负载电流的电压送到模拟乘法器的一个输入,另一个乘法器输入则透过分压电路连接到负载,负载电压必须经过分压电路加以降低,原因是乘法器的最高输入电压只有1.1V,将这两个电压相乘会得到正比于负载功率的输出电压,和电流传感器一样,模拟乘法器可以在出厂前经过调整来取得良好的精确度。


如(图六)中能够在侦测到发生功率过大情况时阻断流到负载电流的固态功率感测断路器,可以用来保护电池避免受到短路与功率过大的破坏,当侦测到错误情况发生时,P信道MOSFET M1会关闭并保持断开状态直到用户按下手动重置按钮,或在CIN2-接脚加上逻辑高电位为止,也可以透过关闭输入电源,让LE接脚成为低电位并将比较器输出OUT闩锁解除来重置断路器,连接到R3-R4-C1比较器的RC网络可以避免电源启动过程中的电压变化造成错误反应。


《图六 这个固态功率感测断路器会在功率过高时阻断流到负载的电流,按下手动重置按钮或在CIN2-接脚加上逻辑高电位信号可以重置电流断路器,如果在电源启动过程发生电压变化,那么INHIBIT输入可以透过暂时遮蔽比较器COUT1来避免错误的功率过大警示。》
《图六 这个固态功率感测断路器会在功率过高时阻断流到负载的电流,按下手动重置按钮或在CIN2-接脚加上逻辑高电位信号可以重置电流断路器,如果在电源启动过程发生电压变化,那么INHIBIT输入可以透过暂时遮蔽比较器COUT1来避免错误的功率过大警示。》

结语

这个固态功率感测断路器会在功率过高时阻断流到负载的电流,按下手动重置按钮或在CIN2-接脚加上逻辑高电位信号可以重置电流断路器,如果在电源启动过程发生电压变化,那么INHIBIT输入可以透过暂时遮蔽比较器COUT1来避免错误的功率过大警示。


因此,我们发现以奥姆定律为基础的电流传感器是各类应用,包括电源保护、电池残余电量测量以及动态电源控制等简单但有效的电路设计,目前的芯片产品大多整合了实现低成本、高效能、全硅芯片化电流感测系统所需的大部分组件,透过在出厂前经过调整达到误差低于1%的精确度,这类芯片产品将能够有效改善系统的效能表现、可靠度与安全性。


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