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微功率零漂移运算放大器支撑无线电流检测

引言许多电流检测电路遵循相同的简单方法:在检测电阻器的两端产生一个电压降:放大该电压,用一个ADC读取它,然后就知道电流的大小了。但是,如果检测电阻器所处的电压与系统地迥然不同,那么事情会很快

  导言

  许多电流检测电路遵从相同的简略办法:在检测电阻器的两头产生一个电压降:扩大该电压,用一个 ADC 读取它,然后就知道电流的大小了。可是,假如检测电阻器所在的电压与体系地截然不同,那么作业会很快变得复杂起来。典型解决方案可消除模仿或数字域中的电压差。不过,这里有一种不同的办法,即选用无线方法。

  高压侧电流检测扩大器在模仿域运转。这些 IC 是紧凑的,可是它们能够承受的电压差遭到半导体工艺的约束。额定值超越 100V 的器材很稀有。并且,假如检测电阻器的共模电压快速改变或在高于和低于体系地之间摇摆,那么这类电路的精确度常常会下降。

  磁性或光阻隔器常常损坏数字域的阻隔势垒。硬件或许更粗笨一些,但作业时不丢失精确度,一般可承受数千伏电压。这类电路需求一个阻隔型电源,可是这种电源有时能够集成到阻隔器组件中。假如检测电阻器物理上是与主体系分离隔的,那么或许还需求运用很长的导线或电缆。

  最近呈现的低功率信号调度和无线技能供给了一种新办法。经过答应整个电路跟着检测电阻器的共模电压浮置,并经过空中无线发送所测得的数据,电压约束就不存在了。检测电阻器能够放置在任何地方,无需运用电缆。假如电路的功率十分低,那么乃至不需求阻隔型电源,用一块小型电池就可运转很多年。

  无线电流检测

  图 1 所示电流检测电路运用 LTC2063 斩波器安稳型运算扩大器,以扩大检测电阻器两头的压降。微功率 SAR ADC AD7988 使压降值数字化,并经过 SPI 接口陈述成果。LTP5901-IPM 是无线模块,可主动与邻近的其他节点构成一个根据 IP 的网格网络。该器材还有一个内置微处理器,以读取 AD7988 ADC SPI 端口。LTC3335 是一款毫微功率降压-升压型稳压器,将电池电压转化成安稳输出电压。LTC3335 还包含一个库伦计数器,以陈述累计从电池抽取的电量。

    

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  图 1:一个低功率无线电流检测电路,由一个扩大检测电压的低功率斩波器型运算扩大器构成,用一个低功率 ADC 和基准进行数字化,并连至一个 SmartMesh IP™ 无线模块。一个低功率 DC/DC 转化器调度电池,并盯梢从电池汲取的电量。

  微功率零漂移运算扩大器

  为了最大极限削减检测电阻器中产生的热量,压降一般约束到 10mV 至 100mV。丈量这个规模的电压需求输入电路具很低的失调差错,例如零漂移运算扩大器。LTC2063 是一款超低功率、斩波器安稳型运算扩大器,最大电源电流为 2µA。因为失调电压低于 10µV,所以该器材能够丈量十分小的压降而不会丢失精确度。图 2示出了把 LTC2063 装备为对一个 10mΩ 检测电阻器两头的电压进行扩大和电平移位的景象。挑选适宜的增益以使检测电阻器上的 ±10mV 全标度电压 (对应于 ±1A 电流) 映射到输出端上一个挨近全标度规模 (以中心电源为中心)。这个已扩大信号馈送到 16 位 SAR ADC 中。之所以挑选 AD7988,是因为其十分低的备用电流和杰出的 DC 精确度。在低采样率时,ADC 在转化之间主动停机,然后使 1ksps 时的均匀电流耗费低至 10µA。LT6656 电压基准耗费不到 1µA 电流,并偏置扩大器、电平移位电阻器和 ADC 的基准输入。

    

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  图 2:电流检测电路随检测电阻器电压起浮。LTC2063 斩波运放扩大检测电压并对其施加用于 AD7988 ADC 的中心电源轨偏置。LT6656-3 供给精准的 3V 基准。

  工业强度的无线网格

  LTP5901-IPM 等 SmartMesh 无线模块包含无线电收发器、嵌入式微处理器和网络软件。当多个 SmartMesh 节点在某个网络办理器的邻近上电时,这些节点主动地彼此辨认承认并构成一个无线网格网络。一个网络中的一切节点主动地完成时刻同步,这意味着每个无线电收发器仅在十分时刻短的特定时刻距离期间上电。因而,每个节点能够充任一个传感器信息源,以及一个用于把数据从其他节点向办理器转发的路由节点。这创建了一个高度牢靠的低功率网格网络,在该网络中,从每个节点至办理器供给了多条通路,虽然一切的节点 (包含路由节点) 均依托十分低的功率作业。

  LTP5901-IPM 包含一个 ARM Cortex-M3 微处理器内核,该内核运转网络软件。此外,用户能够编写运用固件,以履行特定于用户运用的使命。在本例中,LTP5901-IPM 中的微处理器读取电流丈量 ADC (AD7988) 的 SPI 端口,并读取库伦计数器 (LTC3335) 的 I2C 端口。该微处理器还能够将斩波器运算扩大器 (LTC2063) 置于停机形式,然后进一步将其电流耗费从 2µA 降至 200nA。这在两次丈量之间时刻距离极长的运用形式下,进一步节省了功率。

  毫微功率库伦计数器

  对丈量电路而言,一个节点每秒陈述一次的典型功耗低于 5µA,而无线电收发器的功耗或许到达 40µA。实际上,功耗取决于各种因素,例如信号链路多长时刻获取一次读数,以及节点在网络中是怎样装备的。

  本文举例的电路是用两节碱性主电池供电的。电池输入电压由集成了库伦计数器的 LTC3335 毫微功率降压-升压型转化器调理。该转化器可从一个 1.8V 至 5.5V 输入电源供给一个安稳的 3.3V 输出。视无线电收发器是处于作业形式仍是休眠形式而不同,占空比型无线运用的负载电流或许在 1µA 至 20mA 之间改变。LTC3335 在无负载时静态电流仅为 680nA,当无线电收发器和信号链路处于休眠形式时,这使整个电路坚持了十分低的功率。别的,LTC3335 还可输出高达 50mA 电流,这在无线电发送 / 承受时以及为各种信号链路电路供给了满足的功率。

  在高牢靠性无线传感器运用中,用光电池电量是绝对不可承受的。一起,太频频地替换电池会导致不期望产生的费用和宕机。成果是,需求能够精确丈量电池电量耗费的电路。LTC3335 有一个内置库伦计数器。不管何时,该稳压器只需接通,就会盯梢从电池汲取的总电量。这个信息能够用 I2C 接口读出,然后能够用来猜测电池替换时刻。

  总结

  凌力尔特和 ADI 的信号链路、电源办理以及无线网络产品相结合,可完成真实的无线电流检测电路设计。图 3 显现了一个实例。新的超低功率 LTC2063 斩波器型运算扩大器可精确读出检测电阻器两头很小的压降。包含微功率 ADC 和电压基准在内的整个电路随检测电阻器的共模电压而浮置。毫微功率 LTC3335 转化器可用一个小型电池接连多年给电路供电,一起运用其内置库伦计数器陈述累计的电池电量运用情况。LTP5901-IPM 无线模块办理整个运用,并主动衔接到一个高度牢靠的 SmartMesh IP 网络。

    

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  图 3:在一块小型电路板上完成的一个完好的无线电流检测电路。专一的物理衔接是用于丈量电流的香蕉插口。无线模块显现在右侧。该电路用衔接到电路板反面的两节 AAA 电池供电。

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