新的功率檢測(cè)電流斷路器

引言

筆記本電腦中的主電源電壓不插墻上電源時(shí)會(huì)下降，因?yàn)殡姵仉妷阂话愕陀趤?lái)自墻上適配器的電壓。甚至，鋰離子電池電壓也從4.1v (充滿電)到低于3v (接近放完電)變化。因此，功率檢測(cè)電路斷路器對(duì)于像筆記本電腦這樣的系統(tǒng)是更可取的，因?yàn)樵谶@些系統(tǒng)中功率受限制、電壓源不是恒定的。 功率檢測(cè)器檢測(cè)電流的工作原理

提供給負(fù)載的功率等于負(fù)載電壓乘負(fù)載電流。因此，功率監(jiān)控集成電路必須包括一個(gè)電流檢測(cè)電路和一個(gè)模擬乘法器。高端電流檢測(cè)器提供與負(fù)載電流成正比的輸出電壓，負(fù)載電流乘負(fù)載電壓等于負(fù)載功率(圖1)。

硅高端電流檢測(cè)放大器

表1示出實(shí)現(xiàn)電流檢測(cè)電路斷路器的幾種方法。保險(xiǎn)絲，可復(fù)位保險(xiǎn)絲和雙層金屬片，是電熱型的。它們都帶有與負(fù)載串聯(lián)、阻值已知的金屬片，當(dāng)有電流通過(guò)時(shí)，溫度將升高。當(dāng)電流達(dá)到危險(xiǎn)(斷路)電平時(shí)，靠保險(xiǎn)絲材料熔化，急劇增大阻值(可復(fù)位保險(xiǎn)絲)或雙金屬片加熱導(dǎo)致金屬?gòu)澢鷶嚅_開關(guān)使電路斷開。電磁電路斷路器的工作類似于雙層金屬片斷路器，所不同的是電磁產(chǎn)生的機(jī)械動(dòng)作替代變熱。

表1所列4個(gè)電流開關(guān)電路斷路器不具有精確的電流檢測(cè)，它們的斷路點(diǎn)精度較差。相反，電流傳感器能提供較好的電流檢測(cè)精度，而且可容易設(shè)計(jì)為電路斷路器。

電流變壓器是電流傳感器類型，它一般體積大且比較復(fù)雜。它只適合于ac信號(hào)，其變壓器初級(jí)與電源串聯(lián)，而次級(jí)提供正比于電流的電壓輸出。

霍爾效應(yīng)和大磁阻(gmr)傳感器實(shí)際上是磁場(chǎng)傳感器。因?yàn)槿魏纬休d電流的導(dǎo)線或pcb引線都會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，所以，磁場(chǎng)感器對(duì)于檢測(cè)電流是有用的。這類傳感器也提供電隔離，因?yàn)樗鼈儾慌c承載電流的導(dǎo)體接觸。傳感器輸出電壓不僅依賴于所承載的電流，而且也依賴于承載電流的pcb引線相對(duì)于傳感器的物理位置。因此，為了達(dá)到良好的精度，通?；魻柡蚲mr傳感器需要定標(biāo)，定標(biāo)會(huì)增加復(fù)雜性和成本。這類傳感器對(duì)來(lái)自相鄰電路的磁干擾是敏感的。

電流鏡為測(cè)量電流提供了另一種方法。它由兩個(gè)不同大小連接成電流鏡配置的匹配晶體管組成(圖2)。副分支鏡主分支電流例如，以10:1的比值鏡像。因此，可以用副分支中的比例電流測(cè)量主分支中的電流。電流鏡檢測(cè)技術(shù)具有寬動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)60)，但一般限于小電流應(yīng)用。

對(duì)于電流鏡，mosfet必須工作在飽和區(qū)。跨接在漏極和源極上的電壓一般大于1v。與其他技術(shù)中電壓降不大于0.1v相比，1v壓降過(guò)大。因此，主電流應(yīng)限制到不大于10ma，如實(shí)例中測(cè)量光電二極管的情況。電流鏡技術(shù)對(duì)于小電流應(yīng)用很適合，但它對(duì)于大電流、低電壓(包括電池供電)應(yīng)用不具有競(jìng)爭(zhēng)力。

對(duì)于dc應(yīng)用(如電池)，最簡(jiǎn)單的方法是根據(jù)歐姆定律v = ir監(jiān)視電流。即跨接在檢測(cè)電阻上的電壓與通過(guò)的電流是線性比例關(guān)系?；陔娮璧碾娏鱾鞲衅饕话阈枰粋€(gè)放大器來(lái)提供輸出電壓到外部電路。這樣的放大器容易在工廠中調(diào)節(jié)達(dá)到1%或更好的精度(圖3)。此電路稱之為高端電流檢測(cè)放大器，因?yàn)樗鼫y(cè)量電壓源中的電流，所以，對(duì)負(fù)載地通路無(wú)干擾。

高端電流檢測(cè)放大器在電池(電壓源端)和負(fù)載之間放量電流檢測(cè)電阻。這種配置避免地平面上的附加電阻，大大地簡(jiǎn)化了布線并改善了整個(gè)電路的性能。通過(guò)檢測(cè)電阻(rs)的電流，在此電阻上產(chǎn)生一個(gè)壓降。運(yùn)放感測(cè)的電壓驅(qū)動(dòng)mosfet晶體管來(lái)吸收通過(guò)r的電流。r上的壓降等于檢測(cè)電阻上的壓降，因此：

kisrs = ior,
io = kis(rs/r)和
vo = kis(rs/r)ro.

傳感器輸出電流正比于負(fù)載電流，通常，電流鏡用于將輸出電流提高k倍。若需要電壓輸出，則在電流輸出和地之間加一個(gè)輸出電阻(ro)，把電流轉(zhuǎn)換為電壓。可以在工廠調(diào)節(jié)電阻r和ro，以達(dá)到1%或更好的電流檢測(cè)精度。

功率監(jiān)測(cè)器
用一個(gè)精確的低成本電流傳感器來(lái)測(cè)量電流，用電流乘電壓就獲得功率測(cè)量。一個(gè)低成本全硅功率傳感器由集成電流傳感器和模擬乘法器組成(圖1b)。乘法器工作在第1象限，即輸入和輸出都是正電壓。只需要單電源電壓。如同電流傳感器，模擬乘法器也可在工廠調(diào)節(jié)來(lái)達(dá)到良好的精度。
例如，max4210功率監(jiān)控器ic設(shè)計(jì)用來(lái)監(jiān)控筆記本電腦中的電池。功率傳感器的共模電壓范圍(4v至28v)適用電池電壓變化。為了測(cè)量電流，在電源(電池)和負(fù)載之間接入一個(gè)檢測(cè)電阻。然后，電流檢測(cè)放大器饋入一個(gè)與負(fù)載電流成正比的電壓到模擬乘法器的一個(gè)輸入。乘法器的另一個(gè)輸入連接到連接負(fù)載的電壓分壓器(負(fù)載電壓必須用分壓器降壓，因?yàn)槌朔ㄆ鞯淖畲筝斎腚妷菏?v)。這兩個(gè)電壓相乘產(chǎn)生正比于負(fù)載功率的輸出電壓。

為了達(dá)到功率測(cè)量所希望的精度，需要工廠調(diào)節(jié)。圖4示出工廠調(diào)節(jié)后max4210的典型功率測(cè)量精度與檢測(cè)電壓的關(guān)系曲線。對(duì)于50mv至150mv的vsense，其誤差小于1%。對(duì)于低于50mv的檢測(cè)電壓測(cè)量誤差增加，這是由于電流檢測(cè)放大器中的輸入偏移所致。因此，選取檢測(cè)電阻來(lái)保證跨接在檢測(cè)電阻上的壓降在最大電流時(shí)處在50mv和150mv之間。例如，最大所期望負(fù)載電流是10a，則選擇10m檢測(cè)電阻，所產(chǎn)生滿量程電壓是100mv。

電子功率檢測(cè)斷路器

在電源電壓變化或電源功率有限制的系統(tǒng)中，檢測(cè)功率故障的電路斷路器所提供的保護(hù)比只檢測(cè)電流故障要好。這種系統(tǒng)包括筆記本電腦，智能電池，高可靠性電源等。功率檢測(cè)ic (如max4211)是為電路故障保護(hù)設(shè)計(jì)的。

功率檢測(cè)電路斷路器對(duì)于保護(hù)電池短路和過(guò)功率故障是有用的，當(dāng)斷路器檢測(cè)到功率故障時(shí)便斷開到負(fù)載的電流(圖5)。一旦檢測(cè)到故障，mosfet (m1)關(guān)閉直到下按手動(dòng)復(fù)位按鈕或加邏輯高電平到cin2輸入為止。也可以靠周期性變化的輸入功率復(fù)位電路斷路器，這導(dǎo)致lf引腳變低態(tài)并不鎖定比較器輸出out1。 連接到比較器的rc網(wǎng)絡(luò)r3-r4-c1在電壓瞬變期間防止故障檢測(cè)結(jié)果的變化。

結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于終端電壓隨電池放電而變化的電池應(yīng)用，功率監(jiān)控比電流監(jiān)控優(yōu)越和安全。新型ic集成了所必須的大多數(shù)元件，使其成為成本低、性能高的全硅功率傳感器。這種傳感器在工廠調(diào)節(jié)可達(dá)到優(yōu)于1%精度。至今，能夠像max4210功率檢測(cè)電路斷路器一樣，把內(nèi)部比較器和基準(zhǔn)與外部mosfet開關(guān)結(jié)合在一個(gè)器件內(nèi)部是并不容易實(shí)現(xiàn)的。