微功率零漂移運(yùn)算放大器支持無線電流檢測

　　引言

　　許多電流檢測電路遵循相同的簡單方法：在檢測電阻器的兩端產(chǎn)生一個電壓降：放大該電壓，用一個 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(tǒng)地迥然不同，那么事情會很快變得復(fù)雜起來。典型解決方案可消除模擬或數(shù)字域中的電壓差。不過，這里有一種不同的方法，即采用無線方式。

　　高壓側(cè)電流檢測放大器在模擬域運(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 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(tǒng)地之間擺動，那么這類電路的準(zhǔn)確度常常會下降。

　　磁性或光隔離器常常破壞數(shù)字域的隔離勢壘。硬件可能更笨重一些，但工作時不損失準(zhǔn)確度，一般可承受數(shù)千伏電壓。這類電路需要一個隔離型電源，但是這種電源有時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(tǒng)分隔開的，那么也許還需要使用很長的導(dǎo)線或電纜。

　　最近出現(xiàn)的低功率信號調(diào)理和無線技術(shù)提供了一種新方法。通過允許整個電路隨著檢測電阻器的共模電壓浮置，并通過空中無線發(fā)送所測得的數(shù)據(jù)，電壓限制就不存在了。檢測電阻器可以放置在任何地方，無需使用電纜。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。

　　無線電流檢測

　　圖 1 所示電流檢測電路利用 LTC2063 斬波器穩(wěn)定型運(yùn)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(shù)字化，并通過 SPI 接口報告結(jié)果。LTP5901-IPM 是無線模塊，可自動與附近的其他節(jié)點(diǎn)形成一個基于 IP 的網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)。該器件還有一個內(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 還包括一個庫倫計數(shù)器，以報告累計從電池抽取的電量。

　　圖 1：一個低功率無線電流檢測電路，由一個放大檢測電壓的低功率斬波器型運(yùn)算放大器構(gòu)成，用一個低功率 ADC 和基準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)字化，并連至一個 SmartMesh IP? 無線模塊。一個低功率 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電阻器中產(chǎn)生的熱量，壓降一般限制到 10mV 至 100mV。測量這個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，所以該器件可以測量非常小的壓降而不會損失準(zhǔn)確度。圖 2示出了把 LTC2063 配置為對一個 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(biāo)度電壓 (對應(yīng)于 ±1A 電流) 映射到輸出端上一個接近全標(biāo)度范圍 (以中間電源為中心)。這個已放大信號饋送到 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?nbsp;DC 準(zhǔn)確度。在低采樣率時，ADC 在轉(zhuǎn)換之間自動停機(jī)，從而使 1ksps 時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：電流檢測電路隨檢測電阻器電壓浮動。LTC2063 斬波運(yùn)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(zhǔn)的 3V 基準(zhǔn)。

　　工業(yè)強(qiáng)度的無線網(wǎng)格

　　LTP5901-IPM 等 SmartMesh 無線模塊包括無線電收發(fā)器、嵌入式微處理器和網(wǎng)絡(luò)軟件。當(dāng)多個 SmartMesh 節(jié)點(diǎn)在某個網(wǎng)絡(luò)管理器的附近上電時，這些節(jié)點(diǎn)自動地相互識別確認(rèn)并形成一個無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)。一個網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)自動地實(shí)現(xiàn)時間同步，這意味著每個無線電收發(fā)器僅在非常短暫的特定時間間隔期間上電。因此，每個節(jié)點(diǎn)能夠充當(dāng)一個傳感器信息源，以及一個用于把數(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 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，用戶可以編寫應(yīng)用固件，以執(zhí)行特定于用戶應(yīng)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(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。這在兩次測量之間時間間隔極長的使用模式下，進(jìn)一步節(jié)省了功率。

　　毫微功率庫倫計數(shù)器

　　對測量電路而言，一個節(jié)點(diǎn)每秒報告一次的典型功耗低于 5μA，而無線電收發(fā)器的功耗可能達(dá)到 40μA。實(shí)際上，功耗取決于各種因素，例如信號鏈路多長時間獲取一次讀數(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倫計數(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 1.8V 至 5.5V 輸入電源提供一個穩(wěn)定的 3.3V 輸出。視無線電收發(fā)器是處于工作模式還是休眠模式而不同，占空比型無線應(yīng)用的負(fù)載電流可能在 1μA 至 20mA 之間變化。LTC3335 在無負(fù)載時靜態(tài)電流僅為 680nA，當(dāng)無線電收發(fā)器和信號鏈路處于休眠模式時，這使整個電路保持了非常低的功率。另外，LTC3335 還可輸出高達(dá) 50mA 電流，這在無線電發(fā)送 / 接受時以及為各種信號鏈路電路提供了足夠的功率。

　　在高可靠性無線傳感器應(yīng)用中，用光電池電量是絕對不可接受的。同時，太頻繁地更換電池會導(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)確測量電池電量消耗的電路。LTC3335 有一個內(nèi)置庫倫計數(shù)器。無論何時，該穩(wěn)壓器只要接通，就會跟蹤從電池吸取的總電量。這個信息可以用 I2C 接口讀出，然后可以用來預(yù)測電池更換時間。

　　總結(jié)

　　凌力爾特和 ADI 的信號鏈路、電源管理以及無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)真正的無線電流檢測電路設(shè)計。圖 3 顯示了一個實(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)的整個電路隨檢測電阻器的共模電壓而浮置。毫微功率 LTC3335 轉(zhuǎn)換器可用一個小型電池連續(xù)多年給電路供電，同時利用其內(nèi)置庫倫計數(shù)器報告累計的電池電量使用情況。LTP5901-IPM 無線模塊管理整個應(yīng)用，并自動連接到一個高度可靠的 SmartMesh IP 網(wǎng)絡(luò)。

　　圖 3：在一塊小型電路板上實(shí)現(xiàn)的一個完整的無線電流檢測電路。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。