高壓側電流感測放大器在類比域運行。這些IC是精小的,但是它們能夠承受的電壓差受到半導體製程的限制。額定值超過100伏特(V)的元件很稀有,而且,如果感測電阻的共模電壓快速變化、或在高於和低於系統地之間擺動,那麼這類電路的準確度常常會下降。

磁性或光隔離器常常破壞數位域的隔離勢壘。硬體可能更笨重一些,但工作時不影響準確度,一般可承受數千伏特電壓。這類電路需要一個隔離型電源,但是這種電源有時可以整合到隔離器元件中。如果感測電阻物理上是與主系統分隔開的,那麼也許還需要使用很長的導線或電纜。

最近出現的低功率訊號調理和無線技術提供了一種新方法。透過允許整個電路隨著感測電阻的共模電壓浮置,並透過空中無線發送所測得的資料,電壓限制就不存在了。感測電阻可以放置在任何地方,無需使用電纜。如果電路的功率非常低,那麼甚至不需要隔離型電源,用一塊小型電池就可運行很多年。

無線電流感測

圖1所示電流感測電路利用LTC2063斬波器穩定型運算放大器,以放大感測電阻兩端的壓降。微功率SAR ADC AD7988使壓降值數位化,並透過SPI介面報告結果。LTP5901-IPM是無線模組,可自動與附近的其他節點形成一個基於 IP 的網格網路,該元件還有一個內建微處理器,以讀取ADC SPI埠。LTC3335是一款毫微功率升降壓穩壓器,將電池電壓轉換成恆定輸出電壓,該元件還包括一個庫倫計數器,以報告累計從電池抽取的電量。

20171025TA01P1 圖1 一個低功率無線電流感測電路,由一個放大感測電壓的低功率斬波器型運算放大器構成,以一個低功率ADC和參考進行數位化,並連接至一個SmartMesh IP無線模組。一個低功率DC/DC轉換器處理電池,並追蹤從電池吸取的電量。

微功率零漂移運算放大器

為了最大限度減少感測電阻中產生的熱量,壓降一般限制到10mV~100mV。測量這個範圍的電壓需要輸入電路具很低的失調誤差,例如零漂移運算放大器。LTC2063是一款超低功率、斬波器穩定型運算放大器,最大電源電流為2μA。由於失調電壓低於10μV,因此該元件可以測量非常小的壓降而不會影響準確度。圖2所示為,將斬波器穩定型運算放大器配置為對一個10mΩ感測電阻兩端的電壓進行放大和位準移位的情形。

20171025TA01P2 圖2 電流感測電路隨感測電阻電壓浮動。斬波運放放大感測電壓並對其施加用於DC的中間電源軌偏置。LT6656-3提供精準的3V基準。

選擇合適的增益以使感測電阻上的±10mV全標度電壓(對應於±1A電流)映射到輸出端上一個接近全標度範圍(以中間電源為中心)。這個已放大訊號饋送到16位元SAR ADC中。之所以選擇AD7988,是因為其具備非常低的備用電流和良好的DC準確度,在低取樣速率時,ADC在轉換之間自動關機,使1ksps時的平均電流消耗低至10μA。LT6656電壓參考消耗不到1μA電流,並偏置放大器、電平移位電阻和ADC的基準輸入。

工業強度的無線網格

SmartMesh無線模組包括無線電收發器、嵌入式微處理器和網路軟體。當多個SmartMesh節點在某個網路管理器的附近上電時,這些節點會自動相互識別確認並形成一個無線網格網路。一個網路中的所有節點自動地實現時間同步,這意味著每個無線電收發器僅在非常短暫的特定時間間隔期間上電,因此,每個節點能夠充當一個感測器資訊源,以及一個用於將資料從其他節點向管理器轉發的路由節點。如此可創建一高度可靠的低功率網格網路,在該網路中,從每個節點至管理器提供了多條通路,儘管所有的節點(包括路由節點)均依靠非常低的功率工作。

無線模組包括一個ARM Cortex-M3微處理器核心,該核心運行網路軟體。此外,用戶可以編寫應用韌體,以執行特定於用戶應用的任務。在本例中,無線模組中的微處理器讀取電流測量ADC的SPI埠,並讀取庫倫計數器的I2C埠。該微處理器還可以將斬波器運算放大器置於關機模式,而能進一步將其電流消耗從2μA降至200nA。這在兩次測量之間時間間隔極長的使用模式下,進一步節省功率。

毫微功率庫倫計數器

對測量電路而言,一個節點每秒報告一次的典型功耗低於5μA,而無線電收發器的功耗可能達到40μA。實際上,功耗取決於各種因素,例如訊號鏈路多長時間獲取一次讀數,以及節點在網路中是如何配置。

本文舉例的電路是以兩顆鹼性主電池供電。電池輸入電壓由整合了庫倫計數器的LTC3335毫微功率升降壓轉換器調節。該轉換器可從一個1.8~5.5V輸入電源提供一個穩定的3.3V輸出。視無線電收發器是處於工作模式還是休眠模式而不同,工作週期型無線應用的負載電流可能在1μA~20mA之間變化。毫微功率升降壓轉換器在無負載時靜態電流僅為680nA,當無線電收發器和訊號鏈路處於休眠模式時,這使整個電路保持了非常低的功率。另外,該元件還可輸出高達50mA電流,這在無線電發送/接受時,以及為各種訊號鏈路電路提供了足夠的功率。

在高可靠性無線感測器應用中,用光電池電量是絕對不可接受的。同時,太頻繁地更換電池會導致不希望發生的費用和宕機,結果是,需要能夠準確測量電池電量消耗的電路。LTC3335有一個內建庫倫計數器,無論何時,該穩壓器只要導通,就會追蹤從電池吸取的總電量,這個資訊可以用I2C介面讀出,然後可以用來預測電池更換時間。

20171025TA01P3 圖3 在一塊小型電路板上實現的一個完整的無線電流感測電路。惟一的物理連接是用於測量電流的香蕉插口。無線模組顯示在右側,該電路用連接到電路板背面的兩節AAA電池供電。

總結

凌力爾特和ADI的訊號鏈路、電源管理及無線網路產品相結合,可實現真正的無線電流感測電路設計。圖2實例顯示,新超低功率斬波器型運算放大器可準確讀出感測電阻兩端很小的壓降,包括微功率ADC和電壓參考在內的整個電路隨感測電阻的共模電壓而浮置。毫微功率轉換器可透過一小型電池連續多年為電路供電,同時利用其內建庫倫計數器報告累計的電池電量使用情況。無線模組管理整個應用,並自動連接到一個高度可靠的SmartMesh IP網路。