我開發了一塊基於PIC的電路板,需要監視它從兩個AA電池抽取的電流。雖然這塊電路大多數時間內都處於待機狀態,其升壓轉換器的30μA靜態電流佔功耗的主要部分,但它可以快速經歷突發的檢測、顯示和發送狀態,抽取的電流在8mA~100mA之間。使用固定量程的DMM十分令人沮喪,自動量程也由於快速迴圈時間和很短的工作時間而讓我頭疼。而下述方法非常有用。

正如二極體公式IF≅I0×exp(eVF/kT)定義的那樣,二極體上的電壓隨著流經的對數電流不斷上升。其中IF是正向電流,IO是反向飽和電流,e是電荷(1.602×10-19 C),VF是正向電壓,T是溫度(K),k是波爾茲曼常數(1.380×10-23 J/K)。

根據我們的目的,可以從中提取出以下公式:

VF∝logIF(在給定溫度時)

分流二極體

現在,讓我們看看一個帶測量儀錶的二極體。在電流很低時,它會指示流經儀錶而不是二極體的毫安培(mA)級電流;而在大電流時,它會顯示二極體上的電壓,以及由此得出的電流對數(將二極體想像為一個自我調整分流器)。因此儀錶刻度的底部是相當線性的,頂部具有足夠的對數性質,中間則是過渡階段,因此整個範圍非常有用。

如圖1所示,使用一個肖特基整流管、一個100μA/1.7kΩ儀錶和一個合適的串聯電阻就可以在單一量程內監控從10μA到超過100mA的電流,其指示的速度僅限於儀錶的擺速。

20170626TA01P1 圖1 一個肖特基整流管、一個100μA/1.7kΩ的儀錶和一個合適的串聯電阻。

這種簡單電路存在的問題常常比元件數量還多!除了需要高精度的校準過程,這個電路還有兩個主要缺陷:串聯壓降和溫度穩定性。二極體的壓降高達400mV,因此監控時最好使用新的或者充滿電的電池,否則你的被測元件(UUT)可能顯示電池電量低。或者將這個電路想像為一個方便的低電壓檢測測試電路,這樣也許要增加一個短路開關。

增加額外的二極體

在刻度底部,幾乎所有電流都流經儀錶,受限於儀錶測量機構的機械和磁溫度係數,測量的溫度係數很低。但在較大電流時,我們會看到二極體上有壓降,當然正如二極體公式預示的那樣,這個壓降會以大約2mV/K的速度下降。這不僅影響對數律(low of logarithm)的斜率,也影響線性到對數過渡點。此外,儀錶繞組佔總串聯電阻的很大一部分,銅在室溫時的TCR為3930ppm/K。圖2顯示了1N5817分別在0℃、25℃和50℃時的偏差與電流關係曲線,這些曲線考慮了測量電路的TCR和二極體的溫度係數,但忽略了後者的任何自熱效應,在較穩定的溫度條件下則沒有任何問題。

20170626TA01P2 圖2 偏差與電流曲線。

主要存在於D1中的自熱實際上也沒有問題。假設流過的電流是100mA,D1的壓降是400mV:那就是40mW。根據資料手冊,帶稍長接腳和大量散熱銅片的D0-41 1N5815的基本熱阻是50K/W。將這些資料一起考慮進去,100mA時結點的溫升才2°,相當於VF降低約4mV,或滿刻度時約1%的誤差。試著將二極體保持為短的接腳和高的熱品質。注意在導通的時候可能有很高的瞬態電流,因為這些會導致誤差,直到結點溫度再次冷卻下來。

圖3增加了一個與儀錶測量電路串聯的額外二極體,是抵消溫度係數的改進版本;圖4顯示了這個電路的曲線。注意,現在曲線的大部分是對數形式,那個額外的二極體有效地抑制了初始的線性區域。然而,這個二極體的選擇相當關鍵,因為D2的正向電壓應該稍低於D1,但其他特性應該匹配,這有點令人困惑。

20170626TA01P3 圖3 增加二極體後的改進版本。

20170626TA01P4 圖4 增加了一個二極體後的偏差與電流曲線。

LTspice扮演的角色

LTspice來拯救我們了!我有幸碰到了D1採用10MQ060N和D2採用BAT54的組合——這是我模擬的第一對元件。兩者都很便宜,由LTspice建模,因此是推薦的元件。一對10MQ060N幾乎一致的工作(但一對BAT54不一致)。與其他元件的組合大多數時候會顯示更差的溫度變化和奇怪的指示,因此在搭建電路之前先要建模。如果儀錶的靈敏度和電阻合適的話,R1可以省略。D1和D2的熱性能要一致,這樣它們才能彼此跟蹤溫度的變化。

矽P-N結二極體一般具有非常直線的(log IF)/VF關係,肖特基的直線則不直。這是因為它們的結構本身存在較高的串聯電阻,在很低的電流時兩者的關係更接近線性而非對數,並且也有保護環來控制可以形成與肖特基結點並聯的P-N二極體的電位梯度,從而軟化大電流時的曲線,因此在實際使用中,精確的對數律會隨電流和元件類型發生改變。雖然對於第一個版本來說,一個用過的二極體可能就可以了,但鑒於這種電路不可避免的不精確性,對於雙二極體設計還是需要精挑細選。而肖特基二極體可以提供更多的背景。

因為我有一盒以前留下來的便宜的100μA/1700Ω指示器,剛好適合35mm×14mm孔徑,所以就用它們了。這類指示器很常見,非常緊密連接,也非常實用,而且它們的構造、線性度和單元之間的一致性也較好。

圖5中使用的校準點是透過安排監視器、電池、固定和可變電阻,以及DMM的系列組合產生的。現有的測試刻度在合適的點都做了標記,然後被消除和掃描,掃描被用作最終版圖的樣板。模擬結果用於產生圖5(左)的基準點,結果很好地反應了實現,儘管儀錶較差。這些刻度可以節省時間,但不像自己新做的那樣精確(顯然這些測量結構需要不同的刻度),調整R1可以微調校準(儀錶規定為±20%),兩種刻度都考慮了儀錶結構的非線性。

20170626TA01P5 圖5 源自監視器、電池、固定和可變電阻,以及DMM組合的校準點(右)。儘管儀錶不是很好,但基準點(左)很好地反應了實際情況。

注意,我把這個稱為「監視器」而不是「儀錶」,後者的用語對我來說應該具有更好的精度。不管怎樣,現在我都將這些電路嵌入進了我的大多數開發專案甚至生產測試裝置中,它們對於查找各種故障和問題很有效,包括從電源線短路到錯誤編碼的上拉接腳等。

為了最終方便電流的監控,只需將合適的二極體與電源的負端串聯在一起然後監視它的正向壓降就可以了。經過一些簡單的校準後,你就可以與想要探測的其他參數完全同步地監控供電電流。