扩大40年期电源电压范围，从<300uA到3A无电阻电流检测解决方案

品慧电子讯测量系统中的电流是监测系统状态的一种基本而有效的工具。随着科技发展，电子或电气系统在性能提升的同时，物理尺寸大大缩小，并降低了功耗和成本。每个电子设备都在监测自己的健康和状态，而这些诊断提供了管理系统所需的重要信息，甚至决定了其未来的设计升级。

测量系统中的电流是监测系统状态的一种基本而有效的工具。随着科技发展，电子或电气系统在性能提升的同时，物理尺寸大大缩小，并降低了功耗和成本。每个电子设备都在监测自己的健康和状态，而这些诊断提供了管理系统所需的重要信息，甚至决定了其未来的设计升级。

系统中越来越需要测量大范围电流，从微小电流一直到几安培电流。例如，在以下情况下，确定系统中高动态范围的电流流动或消耗情况：

●睡眠/非活跃电流，以确定除正常运行外的总体负载性能和估算电池/电源功率。

●ATE/测试环境需要处理从微小/低微安培级电流到安培级电流，这就需要进行研发或生产级的测试。

●生产车间环境，以发现生产问题（积聚在IC下的焊剂、不必要的焊料短路或开路），以及正常的操作功能测试。

●工业设备监测，开启和关闭期间的功耗可显示设备的健康状况，例如，监测设备的正常电流和泄漏电流，以确定其随时间推移的磨损情况。

在高达80V的高电压电平（共模电平）应用中，由外部的简单电流检测放大器(CSA)（但为了使结构达到精度和准确性要求，集成电路的设计比较复杂）和检测电阻器组成的方案可以解决电流测量时的大多数问题。电流检测放大器目前具有出色的准确度和精度，满足实现微安级电流的要求，同时保持更好的信噪比(SNR)性能，从而提供系统设计所需的测量分辨率。

然而，为设计人员选择优化的CSA并不是一件容易的事情。有一些权衡因素需要考虑：

可用的电源
最小可检测电流（转化为器件的最小输入失调电压(VOS)）
最大可检测电流（转化为最大输入检测电压(VSENSE)）
RSENSE上允许的功耗

由于差分电压范围由电流检测放大器的选择来设定，因此增加RSENSE值可以提高较低电流值的测量精度，但在较高的电流下功耗较高，这可能是不可接受的。另外，检测电流的范围也有所降低（IMIN : IMAX)。

降低RSENSE值更有利，因为它减少了电阻的功耗，增大了检测电流范围。降低RSENSE值可降低信噪比（可以通过计算平均值，取平均输入噪声来改善信噪比）。应当注意的是，在这种情况下，设备的偏移会影响测量的精度。通常，会在室温下进行校准，以提高系统精度，通过增加某些系统的测试成本来消除失调电压。

此外，输入差分电压范围(VSENSE)取决于电源电压或内部/外部基准电压和增益：

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在任何实现高电流范围的应用中，目的都是在既定的精度预算下最大限度地扩大动态范围，这一般通过以下公式来估算：

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大多数CSA的VSENSE-RANGE通常是100mV，输入失调电压约为10μV。请注意，如果选择VSENSE_MIN作为10xVOS系数，则在未校准系统中，最多可得出30年±10%的误差。同样，如果选择100xVOS，则可以达到±1%的误差范围，但动态范围会缩减到20年。因此，在动态范围和精度之间存在一个权衡：收紧精度预算会减少VSENSE_MIN所决定的动态范围，反之亦然。

有一点需要注意，在CSA + RSENSE系统中，RSENSE（容差和温度系数）通常是系统总精度的瓶颈。与电量计、带集成芯片电阻器的CSA、使用运算的差分放大器的分立式器件实现等其它替代方案相比，它简单、可靠且成本合理，仍然是行业中监控/测量系统电流的有效做法。也有更高级别容差和温度系数检测电阻，只是价格比较高。应用在温度范围内的总误差预算需要与RSENSE产生的误差相当。

无电阻检测解决方案

对于需要测量从几百微安到几安培电流的更高动态范围应用，下方图1所示的基于ADI集成式电流检测器件(U1)是非常有用、有效的解决方案。该解决方案满足以下条件：

集成式检测元件（无电阻）
超过40年的电流检测动态范围
电流输出功能（与160Ω LOAD一起提供0-1V的VOUT，与所有ADC/微控制器电流输入实现方案兼容）。

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图1：带有集成电流检测元件的2.5V至5.5V电流检测系统

代替外部检流电阻, 在VDD输入和负载(LD)输出之间配置集成检测器件，能够测量100uA至3.3A的系统负载电流(ILOAD)。增益为1/500的内部增益块提供输出电流ISH，即I_LOAD/500。在ISH电流输出和接地间连接一个160Ω电阻，可得到0V至1V的VISH电压输出。

在负载电流为3A时，检测元件装置上VDD和LD之间的压降约为60mV（曲线图1），相当于仅有180mW的功耗，而在较低的电流值下，观察到的检测100μA范围的总误差在10%左右（曲线图2）。该方案在较高电流负载下功耗较小，在较低电流水平下仍能保持较好的误差预算，优于传统检测电路。因此，需要更大电流检测范围（最高可达3A）的应用可以从这个方案中受益。

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曲线图1：内部检测元件上的压降与负载电流的关系

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曲线图2：不同温度下ISH输出的增益误差与负载电流的关系

具有扩展线路/输入电压的无电阻检测方案

图2是图1的输入电压范围扩展，其中U1的电源电压现在可以接受更高的线路电压，可高达6V至36V。齐纳二极管(D1)将VDD和PFET(M1)栅极之间的电压维持在5.6V。高压线路的大部分被M1吸收，M1的源电压钳位在与VDD输入电压相差大约4V-4.5V的水平，从而将U1的工作电压(VDD-VSS)维持在正常工作范围内（曲线图3）。然后，这个M1的源电压为M2 PFET的栅极电压提供偏置。M2 PFET源电压处于VSS (U1) + VTH (M2)的水平，确保U1 ISH输出在可接受的电压水平内。ISH电流输出和R1相对于接地端产生0至1V的输出电压。

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图2：带有集成电流检测元件的6V至36V电流检测系统

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曲线图3：MAX40016电源电压(VDD-VSS)与VLINE的函数关系

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结语

通过使用ADI的MAX40016无电阻检测解决方案，能够实现40年期的电流检测解决方案，工作范围亦扩大至36V。

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