作者：Kris Lokere
簡介
測量流經檢測電阻的電流似乎很簡單。放大電壓，用ADC讀取，就可以知道電流是多少；但如果檢測電阻上的電壓與系統(tǒng)地電壓相差很遠，檢測就會變得比較困難。典型解決方案是 在模擬域或數(shù)字域消弭該電壓差。但這里介紹一種不同的方法——無線。
模擬電流檢測IC是緊湊型解決方案，但其可承受的電壓差受限于半導體工藝。很難找到額定電壓超過100V的器件。如果檢測電阻共模電壓迅速變化或在系統(tǒng)地電壓上下擺動，這些電路便無法精確測量。
數(shù)字隔離技術（磁或光學）體積有點大，但能以高精度工作，并且通常可以承受數(shù)千伏電壓。這些電路需要隔離電源，但有時可以將它集成在隔離器中。如果檢測電阻與主系統(tǒng)在物理上隔開，那么可能還要使用長導線或電纜。
無線電流檢測電路克服了上述諸多限制。讓整個電路隨同檢測電阻的共模電壓浮空，并在空中無線傳輸測量數(shù)據(jù)，電壓限制也就無從談起。檢測電阻可以位于任何地方，無需布置電纜。如果電路功耗非常低，那么甚至不需要隔離電源，一個小電池便能讓它運行多年。
設計概覽
圖1顯示了設計的框圖。該電流檢測電路基于斬波穩(wěn)定運算放大器 LTC2063，其用來放大檢測電阻上的壓降。微功耗SAR ADC AD7988 將值數(shù)字化，并通過一個SPI接口報告結果。 LTP5901-IPM 是無線電模塊，不僅包含無線電，而且含有自動形成IP網格網絡所需的組網固件。此外，LTP5901-IPM內置微處理器以讀取AD7988 ADCSPI端口。 LTC3335 是一款低功耗DC-DC電源，其將電池電壓轉換為恒定輸出電壓。LTC3335還含有庫侖計，用以報告從電池獲取的累計電荷。
圖1. 低功耗無線電流檢測電路由一個低功耗斬波運算放大器（用以放大檢測電壓）組成，利用低功耗ADC和基準電壓源進行數(shù)字化處理，連接到SmartMesh IP無線電模塊。電池輸出到低功耗DC-DC轉換器得到恒定電源，同時記錄從電池獲取的電荷。
信號鏈
LTC2063是一款超低功耗斬波穩(wěn)定運算放大器，其最大電源電流為2μA，特別適合電池供電應用。失調電壓小于10 μV，因此它可以測量非常小的壓降而不會喪失精度。圖2顯示LTC2063配置用來放大10 mΩ檢測電阻上的電壓并進行電平轉換。選擇適當?shù)脑鲆�，使檢測電阻的±10 mV滿量程輸入（對應于±1 A電流）映射到接近輸出端的滿量程范圍，其以1.5 V為中心。這一放大信號被輸入至16位SAR ADC。選擇AD7988是因為其極低的待機電流和良好的直流精度。采樣速率較低時，ADC在兩次轉換之間自動關斷，1 kSPS時的平均功耗低至10 μA。LT6656用于偏置放大器、電平轉換電阻和ADC基準輸入。LT6656 基準電壓源功耗小于1 μA，可驅動高達 5 mA負載，壓差很低，因此即使采用3.3 V系統(tǒng)電源供電，它也很容易輸出精密3 V電壓。
此信號鏈中有三個大致相等的失調誤差源，相對于±10 mV滿量程輸入，它們共同貢獻大約0.5%的誤差。這包括LTC2063和AD7988的失調電壓，以及電平轉換電阻的不匹配（推薦使用0.1%電阻）。單點校準可在很大程度上消除該失調。增益誤差一般以可用檢測電阻的不精確性為主，它往往比LT6656基準電壓源的0.05%、10 ppm/°C 規(guī)格還要差。
圖2. 電流檢測電路隨同檢測電阻電壓浮空。斬波運算放大器LTC2063放大檢測電壓，把它偏置到AD7988 ADC的中間軌。LT6656-3提供精密3 V基準 電壓源。
電源管理
LTC3335是一款集成庫侖計的納安功耗降壓-升壓轉換器。它配置用來從1.8 V到5.5 V的輸入電源產生3.3 V穩(wěn)壓輸出。這使得該電路可以利用兩節(jié)堿性原電池的電源供電。對于占空比型無線應用，負載電流的變化范圍很容易達到1 μA至20 mA，取決于無線電是處于工作模式還是睡眠模式。LTC3335在空載時的靜態(tài)功耗僅680 nA，因此當無線電和信號鏈處于睡眠模式時，整個電路的運行功耗非常低。另外，LTC3335可以輸出多達50 mA的電流，在無線電發(fā)射/接收期間可輕松提供足夠的功率，故適合各種信號鏈電路。
LTC3335還內置一個庫侖計，非常方便。切換時，它會記錄從電池獲取的總電荷。此信息可通過I2C接口讀出，用來預測何時需要更換電池。
無線組網
LTP5901-IPM是一個完整的無線電模塊，包括無線電收發(fā)器、嵌入式微處理器和SmartMesh IP組網軟件。LTP5901-IPM在本應用中執(zhí)行兩個功能：無線組網和管理（進程）。當網絡管理器附近有多個SmartMesh IP終端上電時，這些終端會自動識別彼此，形成一個無線網格網絡。整個網絡自動進行時間同步，這意味著每臺無線電僅在非常短的特定時間間隔內上電。因此，各節(jié)點不僅是傳感器信息源，而且充當路由節(jié)點，用以將數(shù)據(jù)從其他節(jié)點傳遞到管理器。這樣就形成一個高可靠性、低功耗網格網絡，從各節(jié)點到管理器有多條路徑可走，不過所有節(jié)點（包括路由節(jié)點）的工作功耗都非常低。
LTP5901-IPM包括一個運行組網軟件的ARM® Cortex®M3微處理器內核。此外，用戶可以寫入應用固件以完成特定于用戶應用的任務。在本例中，LTP5901-IPM內部的微處理器讀取電流測量ADC(AD7988)的SPI端口和庫侖計(LTC3335)的I2C端口。微處理器還能將斬波運算放大器(LTC2063)置于關斷模式，使其功耗從2 μA進一步降低至200 nA。在測量間隔時間極長的使用場合中，這可以節(jié)省更多功耗。
總功耗
完整應用電路的總功耗取決于多種因素，包括信號鏈多長時間獲取一次讀數(shù)、節(jié)點在網絡中如何配置等等。對于一個每秒報告一次的終端，測量電路的典型功耗低于5 μA，無線電的典型功耗可能為40 μA，很小的電池即可讓它工作數(shù)年。
圖3. 在小型PCB上實現(xiàn)的一個完整無線電流檢測電路。唯一的物理連接是待測電流的香蕉插座。無線電模塊如右圖所示。電路由連接到板背面的兩節(jié)AAA電池供電。
結論
Linear Technology和ADI公司信號鏈、電源管理、無線組網產品的結合，使得我們可以設計真正的無線電流檢測電路。圖3顯示了一個實現(xiàn)示例。新型超低功耗斬波運算放大器LTC2063可以精確讀取檢測電阻上的小壓降。包括微功耗ADC和基準電壓源在內的整個電路隨同檢測電阻的共模電壓浮空。只要一個小電池，納安功耗LTC3335開關穩(wěn)壓器便可為該電路供電數(shù)年之久，同時利用內置庫侖計報告電池累計使用率。LTP5901-IPM無線模塊管理整個應用，自動連接到一個高可靠性SmartMesh IP網絡。
關于作者
Kris Lokere是信號鏈產品部的戰(zhàn)略應用經理，之前是Linear Technology的員工，在ADI成功收購Linear Technology后成為ADI的一員。Kris喜歡采用多種產品線技術來構建系統(tǒng)。過去20年，Kris參與了運算放大器設計，組建工程團隊并管理產品線戰(zhàn)略。Kris持有多項專利，獲得魯汶大學電氣工程碩士學位和巴布森學院工商管理碩士(MBA)學位。
