利用電流監(jiān)測器實現(xiàn)簡單高效的電流測量解決方案

　　許多現(xiàn)代電子系統(tǒng)要求采用某種形式的電流測量方法來改善系統(tǒng)的功耗、效率和可靠性，這些系統(tǒng)包括了LED驅(qū)動、便攜式設(shè)備和各種體積的供電電源等。

　　為了盡可能提高大功率LED的使用壽命，需要對LED電流進(jìn)行精確調(diào)節(jié)。大多數(shù)調(diào)節(jié)器是采用參考電壓為2.5V或1.25V的電壓調(diào)節(jié)器，這些調(diào)節(jié)器可以實現(xiàn)高性能調(diào)整，但遺憾的是，當(dāng)可編程電壓調(diào)節(jié)器用作電流調(diào)節(jié)器時，電流檢測電阻上的壓降會造成很大的功率損失，因為電阻上的壓降與參考電壓相等。

　　對于3W的LED來說，不管采用線性調(diào)節(jié)器還是開關(guān)調(diào)節(jié)器，在電流檢測電阻上都會消耗額外的2.5W功率，因此會造成很大程度的自體發(fā)熱，即使最好情況下效率也只能達(dá)到50%，這對任何DC-DC轉(zhuǎn)換器解決方案都會造成很大影響。

　　圖1給出了針對上述問題的簡單高效的解決方案。利用電流監(jiān)測器測量LED電流值，經(jīng)放大后匹配參考電壓，這樣就可減少電流檢測電阻上的壓降(一般小于100mV)，因此可以大幅節(jié)省功率。

　　當(dāng)使用開關(guān)調(diào)節(jié)器時，在LED的高壓側(cè)使用電流監(jiān)測器測量LED的電流，同樣可以提高系統(tǒng)的整體性能。這種檢測方法不再以地為參考，因而減少了對噪聲的易感性。采用電流監(jiān)測器的高壓側(cè)電流測量方法帶來的另外一個好處是能用于降壓(buck)、升壓(boost)以及boost-buck配置中。

圖1：LED電流調(diào)節(jié)器。

電源過流檢測

　　為了提高可靠性，許多電源產(chǎn)品采用了某種形式的供電軌過流保護(hù)/檢測電路。對單路輸出而言，電流可以在地側(cè)測量，但這樣做存在干擾地平面的缺點。通過在電壓軌(rail)上測量電流可以克服這個問題，而且能夠測量多個軌。

　　圖2對傳統(tǒng)配置和采用電流監(jiān)測器的配置進(jìn)行了比較。電流監(jiān)測器專門用于測量以高壓側(cè)為參考的電流，可以從被監(jiān)測的電壓軌處獲取偏置信號。這意味著它們不需要單獨的電源管腳，并且只需要兩個電阻，因而可以顯著減少PCB面積和器件數(shù)量，而且能提供比通用運放更高的性能。

圖2：過流感應(yīng)電路。

　　許多新型器件已經(jīng)集成了參考源和比較器，可提供完整的過流保護(hù)解決方案。如圖3所示的集成方案將放大器、參考源和晶體管整合在一個器件中，不僅節(jié)省了PCB面積，而且不會對地平面造成干擾。

圖3：過流保護(hù)電路。

便攜式設(shè)備的電池電量估計

　　越來越多的便攜式設(shè)備需要高效的電池電量估計方法，通過先進(jìn)的系統(tǒng)電源管理延長使用時間。

　　傳統(tǒng)的電池電量測量方法大多通過電池電壓的測量提供簡單的電量估計，因為電池電量的下降會導(dǎo)致電池電壓的下降。然而這種方法在許多應(yīng)用中被證明是不夠理想的，因為電池單元的電壓在單元放電期間會不斷變化，并且高度依賴于單元溫度、放電率以及單元充電時的溫度。

　　只使用電池電壓作為電池容量的測量依據(jù)會使事情變得更糟，因為當(dāng)負(fù)載電流急劇增加時會導(dǎo)致電池有效內(nèi)阻上產(chǎn)生額外的壓降，從而導(dǎo)致錯誤的低壓測量結(jié)果。例如，具有紅外、藍(lán)牙以及相機(jī)功能的手機(jī)在全部功能開啟時會導(dǎo)致電池監(jiān)測電路誤給出低電量告警，并導(dǎo)致系統(tǒng)關(guān)閉部分電路以期延長電池使用時間。

　　在高放電率(從600mAHr單元釋放1200mA)情況下，電池電量會小于標(biāo)稱值的20%，但其放電曲線要比低放電率時更平滑。這種現(xiàn)象極大地限制了剩余電量測量精度，也即意味著使用相同電壓對于低電池標(biāo)志以及所有溫度和放電率而言，會產(chǎn)生很大誤差。

　　通過測量放電電流可以提高電池容量測量精度，從而使剩余電量的估計具有可計算性，可更準(zhǔn)確地顯示剩余電量，同時系統(tǒng)也能無差錯的關(guān)閉未使用的部分電路以延長電池壽命。

　　測量放電電流的另外一個好處是可以保護(hù)電池免受過大放電電流的沖擊，這種沖擊會縮短電池壽命，甚至損壞電池。

　　筆記本電腦的電池通常使用專用的氣體壓力芯片來測試電池壽命，但在許多對成本敏感的小型設(shè)備中，這些芯片太過昂貴，而且功耗很大。用于手機(jī)等小型便攜式設(shè)備，簡單的解決方案是使用微功耗運放或電流監(jiān)測器，并通過小的串聯(lián)電阻測量放電電流。這些電路通常會和用于測量電池電壓和溫度的電源管理系統(tǒng)一起使用，因此無需額外昂貴的器件，也不會增加PCB面積。

　　微功耗電流監(jiān)測器非常適于這些應(yīng)用，因為它們能與一個或多個鋰離子/聚合體單元協(xié)同工作，而不會干擾地線連接，并且可以從被監(jiān)測的電壓軌中獲得電能。電流監(jiān)測器需要使用一個額外的電阻來設(shè)置其增益，這樣就為在多個系統(tǒng)中使用一個元件匹配所要求的動態(tài)范圍提供了一個簡單途徑。圖4中需要增加的器件是電流監(jiān)測器、低阻值串聯(lián)電流檢測電阻和增益設(shè)置電阻。

圖4：具有成本效益的微功率電量監(jiān)測電路。

　　綜上所述，電流監(jiān)測器為電流測量提供了一種簡單高效的解決方案。通過增加一個串聯(lián)小電阻就能實現(xiàn)電流測量，而且該電阻負(fù)載上的壓降和功耗都非常小。在大多數(shù)應(yīng)用中這種方案不僅可以提高系統(tǒng)性能，而且可以減小整體尺寸。