通信基礎設施設備中的電流感測應用

本文從電流檢測 (CS) 的角度重新分析了蜂窩無線基礎設施 (WI) 中的主要電子終端設備。另外還探討了此類設備中的幾種 CS 應用。

電源塊中的電流檢測

如圖 1 所示，WI 設備的電源來自于公用電網或太陽能，有時還會將兩者結合使用。電源通常都依賴電池儲能系統，以便在斷電期間能夠不間斷地提供服務，尤其是在偏遠地區。由于物理上的可達性或經濟上的可行性，這些地區無法僅依靠電網電力。

圖 1. WI 電源方框圖

電源塊可以集成到 WI 終端設備中，也可以是獨立模塊。不管具體的實現為何，通常都需要一個智能電源管理系統來為電池充電并在不同的電源之間提供無縫切換。在此類電源管理系統中，電流和電壓感測是一項不可或缺的功能。

電流檢測可以在高側或低側實現。為了防止出現故障接地，通常需要 INA240 或 INA241A 等基于分流器的專用高壓電流檢測放大器 (CSA)。TMCS1123 或TMCS1101 等磁性電流傳感器憑借固有的電隔離特性，成為高壓應用的理想選擇。TMCS1123 可提供環境磁場抑制、快速過流檢測，并能夠提供 75ARMS 連續電流，非常適合接入電網或太陽能。

負載點電流檢測

典型的 WI 電子系統由具有 12V 至 48V 等電壓范圍的直流母線供電。低電源軌源自總線電壓。

這些低電壓軌滿足一組特定的要求并通常位于所支持負載的附近，因此稱為負載點 (POL) 電源。根據測量的重要性或信息量，建議監測一個或多個此類POL 電源中的電流或電壓。在這種情況下，對 CSA 的主要要求可能包括精度、速度、動態范圍以及相關分流電阻器上的功率損耗等。

圖 2. 負載點電流檢測選項

如圖 2 所示，電流可以使用模擬或數字 CSA 并通過外部或集成式分流電阻，在負載的任一端進行檢測。

CSA 提供了在成本、布板空間和性能方面有參考價值的匹配電阻器增益網絡。大多數 CSA 都具有 10 至1000 的固定增益。有些 CSA 提供可配置的增益。例如，INA225 具有可通過兩個數字控制引腳配置的增益，而另一些 CSA 具有可通過外部電阻器配置的增益，例如 INA139。

當選擇集成模數轉換 (ADC) 和分流電阻器的 CSA 時，系統集成會得到進一步改進。EZShunt? 技術將分流電阻器集成到了器件的引線框中，這樣通?？蓽p小電流檢測電路的總體外形尺寸。INA700 是一款超小型晶圓芯片級數字功率監測器，具有 40V 共模電壓范圍和 2mΩ引線框電阻，因此可支持 10ARMS。INA780A 是一款稍大的 EZShunt? 產品，采用 QFN 封裝，共模電壓范圍為 85V，引線框電阻為 400μΩ，因此可支持75ARMS。

在為 POL 測量選擇 CSA 及關聯的分流電阻器時，首先要考慮的主要因素是共模電壓、電流范圍、精度和速度。此外，如果需要過流保護 (OCP)，那么集成快速響應比較器的 CSA 通常是理想選擇，其中指定了失調電壓和傳播延遲等系統參數。與分立式元件相比，此類CSA 可幫助消除一些不確定性，因而能夠簡化設計。

若要監測多個 POL，或許可以使用 INA4290 或INA4180 等多通道 CSA，因為這些放大器提供四個模擬輸出通道。當設備中存在微控制器或 FPGA 時，則通常會包含一個 ADC 通道以及一個 I2C 等數字總線。在這種情況下，可以實現一個模擬或數字輸出 CSA 作為 POL 監測器。另一個選擇是使用 INA3221 等多通道數字監測器，這樣既可以釋放控制器 ADC 通道，又能充分利用現有的 I2C 總線。此器件提供了多個警告和報警信號，以便在發生故障時快速做出響應，另外還提供了三個獨立通道的電流、電壓或功率信息。

功率放大器中的電流檢測

功率放大器 (PA) 的偏置電流可以根據最終應用的需求、調制方案和工作級別進行調整。圖 3 展示了一種具有電流檢測功能的典型 PA。

PA通常采用硅 LDMOS 或 GaN 技術構建。無論是從PA 操作的角度來看，還是從總體能效管理的角度來看，電流檢測在 PA 應用中都非常重要。在相同的偏置電壓下，PA 偏置電流會因器件差異而有所不同。另外，偏置電流會隨溫度而變化。因此，為了讓 PA 控制器能夠精確地控制偏置電流，必須知道電流和溫度信息。偏置電流信息是提高系統效率所必需的，因為總系統功耗中約有 50% 是 PA 本身消耗的。

AMC7836等集成式功率放大器監控系統可以簡化 PA電路設計。如前所述，由于器件存在自然差異，因此有時只知道柵極電壓還不足以實現精確的偏置電流控制。當控制環路中需要電流檢測功能時，可以使用單獨的高壓 CSA（例如 INA290 或INA281）。

AMC7834 等功率放大器監控系統是另一個集成電流檢測功能的選項。借助這類設計，可以進一步縮小布板空間。

圖 3. PA 偏置和電流檢測

備選器件建議

TI 提供了適合 WI 終端設備的全系列 CSA 和磁性傳感器，從高壓電源電流和 PA 電流檢測到通用 POL 電流監測，應有盡有。高壓 INA310A 還提供了集成式比較器和參考輸出，以便滿足 OCP 要求。對于需要出色精度的應用，具有 nA 級輸入偏置電流的 INA190 系列器件會是不錯的選擇。在檢測電流很小的情況下，這類器件非常重要。在這些器件中，有些提供了使能引腳來進一步降低功耗；有些則提供了 WCSP 封裝選項，用以優化布板空間。對于具有低共模電壓要求的應用，INA180 提供了速度和整體性能值。INA301 系列器件具有集成式快速比較器和高速放大器。根據 OCP 的需求，可以提供這兩種輸出。

表 1. 備選器件建議