传感器与IC简化电流测量技术

   今天在各个层次上对能量效率的需求,使电流成为一项快速增长的测量指标。设计人员现在能从令人眼花缭乱的各种硬件中进行选择,来最佳地实现对主电路影响最小的技术。
　　要点
　　库仑计数器适用于移动充电器
　　高端测量可保证精度与安全
　　差分放大器把小检测电压归因于接地
　　检测FET可实现动态在线测量
　　霍尔效应传感器测量交流与直流
　　从电池供电的小型轮胎气压传感器到数兆瓦的风力涡轮发电机,今天的电子学性质与不断提高的能量效率要求,正在使能量测量成为每一位设计人员的热门话题。在规模较小的低端,每一种便携式电子设备都要求用比以往更好的电池功率管理来增长工作时间,并为用户提供更多的特性。而在大规模的全国性供电电网方面,快速、精确及结实可靠的传感器,是在不断变化的电网条件下提供用于平衡发电机输出的伺服环路反馈的基础。多数应用则处于这两种极端应用之间,包括汽车电源调整、消费电子直至工业过程控制等。在上述各种情况下,具备电流测量能力是半导体厂商与传感器制造商所提供的各种器件（设备）的关键要求。在目前已经独立出来的这个市场中,家庭能量计将测量电流与电压的能力以低成本的方式合并在一个互相矛盾的环境中（参见附文“电表要求采用电子测量”）
　　无论功率水平如何,测量必须总是能与ADC之类监控逻辑进行接口。尽管设计人员常常认为电压测量不过是小菜一碟,但今天的IC与传感器常常使得更容易进行电流测量 ——尤其在与交流电源隔离成为一个问题的情况下。但在深入研究交流电源测量之前,由于即便有修改概念也基本相同,因此有必要讨论直流应用以及可简化设计人员工作的各种途径。当然,电池供电设备长期以来一直采用功率测量来报告电路状态。但具有讽刺意味的是,或许是机械与电气元件所取得进展正在使经典案例—— 汽车充电电路——在商品汽车中变得日益罕见。虽然每辆汽车都用伏特计和安培计来告诉驾驶员哪里要出故障的日子已经一去不复返了,但这种类比在汽车消费电子领域变得比以往更加重要。
　　尽管大量汽车电子设备都用电池终端电压测量来得出至下一个充电周期前所剩下的工作时间,但峰值负载（例如数码相机上的闪光灯）却要求用功率测量来管理能量资源并优化整体设备运行。例如,如果剩下的电量不足以使相机继续工作的话,则微控制器可能会选择禁用闪光灯。另外, 电池电压测量为电池容量的一种粗略近似,它会在电池使用过程中随电池电化学性能的下降而逐渐变差。鉴于此,一种所谓的库仑计算技术日益受到了人们的宠爱。这里,电流与电压用来监视定时器在充、放电过程中的增加与减少,其满量程值即表示电池的容量。例如在电池供电轮胎气压监视系统 (TPMS) 中,由于没有机会给能源充电,且器件工作正常即意味着安全,因此随着器件周期性地在待机与工作模式间转换,监视电路以毫微安/秒为单位来测量电池放电,误差信号即表示剩余电量是否不足（参考文献1）
　　虽然TPMS等小型设备要求使用ASIC,但库仑计数器也容易作为ADC/定时器在商用微控制器中实现。而像智能电池组等更复杂的应用,则可以使用集成了外围功率管理功能的专用电池能量监测器IC。像Atmel公司的新型ATmega406芯片,即在微控制器的周围安排了稳压器与支持电路（包括用于电池充电的FET驱动器和用于电流与电压监视的两个ADC）,以构建一个用于锂离子电池组充电器的自主控制器。配上通过5mΩ电流旁路而获得0.67mA分辨率的18位库仑计数器,该器件±30A的范围还建议用于更广泛的控制设备中,使这些设备能充分利用 40k字节闪存、2k字节RAM以及512k字节EEPROM的优势。

　　保护测量精度
　　几乎无一例外,监视与控制电路都需要有将测量值归于系统接地的接口,这给设计人员带来了这样一个老问题,即如何最佳地将任意电平电压上的电流转换成适合现成逻辑的电平。在传统上适合高灵敏度动圈直流安培计的传统低端检测技术,是在电源返回路径中插入一个电流检测电阻器并测量其上产生的电压。这种安排还具有将测量值参考至高压交流电路中的中性电位上的优势,从而能避免高共模电压并简化瞬态保护——尽管不能检测电机线圈与其外壳之间的短路。但要想与逻辑电路接口,就必须将ADC信号接地与电路接地相连,且对于所有其他电路来说,使检测电阻器动态电位浮动会在多个电路间造成偏差。此外,这种安排还难以给单个电路（包括ADC）提供其所需的电流,并容易给接地面引入讨厌的阻抗。由于ADC的输入灵敏度远小于安培计典型75mV的满量程电压,故必须用一个可处理共模电压（包括接地）的仪表放大器来将检测电压提升至合适的水平。
　　高端测量可克服以上这些问题,而且实际上在应用中是强制性的,担负大量公共接地－返回路径,如汽车那样。问题现在集中在以一个加在正电源线上的小检测电压为参考的地上。虽然可采用真正的差分放大器或仪表放大器方法,但要求有匹配良好的电阻器来保持共模抑制比 (CMRR) 以及保持精确的增益性能（图1a）,例如,任何两个电阻器间0.1%的不平衡即会将CMRR降为66 dB。
　　像具有1和10固定增益的Maxim公司MAX4198/99芯片,即集成了这些电阻器并具有优于0.01%的增益精度与大于110 dB的CMRR。封装选项包括该公司的小型8引脚mMAX封装,起价大约为1.25美元（批量1000片）。该公司还提供各种用于电流检测应用的元件。 Analog Devices公司也在其电流检测放大器系列中提供各种用于高共模检测的仪表放大器。例如,AD8205具有的65V工作电压极限使其适合用于汽车42V PowerNet监控。与内部分压器链路的灵活连接,使其易于进行偏置和换算输出电压以适合进行单极型与双极型测量。售价为1.35美元（批量1000 片）的该型芯片采用工作温度规定为 -40℃~ +125℃的8引脚SOIC封装。

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　　差分放大器配置也适合高电压环境工作。例如,凌特科技公司 (Linear Technology) 的LT1990器件,采用±15V电源工作时,即能适应高达±250V的共模电压,并具有由外部链路设定的1或10增益。它还采用分别高达±350V 或±500V的共模瞬态保护,使其非常适合于工业应用。采用SO8封装的LT1990具有最小70 dB的CMRR及最大0.28%的增益精度误差,起价为1.35美元（批量1000片）。同系列器件——LT1991,可在±60V的输入电压范围内提供更高的精度。它包括8个片上精密匹配的硅－铬电阻器,允许在小于0.04%的增益误差及大于75 dB 的CMRR下设定-13~+14的增益。该运放在3 nA偏置电流下的典型输入失调电压为15mV,采用2.7V ~±18V单电源工作,并在大约100mA的电流下具有最小的功耗。此外,该器件还是一款在110 kHz频率上保持了-3 dB单位增益响应的560kHz增益带宽产品。10引脚MSOP封装或无铅DFN封装的起价为1.39美元（批量1000片）,大小仅为3 mm见方。
　　另一种差分放大器方法配置的器件是采用一个满摆幅输入运放直接在电源电压上放大检测电压（图1b）。由于采用P沟道MOSFET Q1来做作为电流源,因此负反馈会将差分电压施加于检测电阻器R1上,然后R1中的电流再通过R2流向接地。在此种情况下,CMRR只取决于运放的能力, 且输出电压直接接地。但需仔细选择满摆幅输出运放,因为当在中范围内工作的晶体管截止并由另一个设定成靠近线路电压工作的晶体管接任时它们在几伏的线路电压值内即呈现为非线性（参考文献2）。另外,也可选择像凌特科技公司的新型LTC6101器件来进行电阻器分流测量。这种全CMOS的器件集成了运放与 FET,以提供最小110dB的PSRR（电源抑制比）。具有在室温下最大450mV的输入失调电压及170nA的输入偏置电流的该器件,适用于4V~ 60V环境下高达500 mV的检测电压,响应时间在1ms范围内。
　　凌特科技公司信号调整部总经理Erik Soule指出,当芯片测量其自身在14V上的大约为250mA电流消耗时,可以从电池或从负载一侧来给芯片供电。他说,“实际上,利用0.1% 的增益设定电阻器,您就能很容易得到优于1% 的性能,因为电阻器是主要的误差源。”5引脚1mm高SOT-23封装的LTC6101芯片,起价为1.04美元（批量1000片）。Soule还推荐了其他检流元件,包括更高电压的LTC6101以及带输出缓冲与4种增益设定的双极型器件。

　　对于高精度工作,凌特科技公司可提供其LT1787芯片。此8引脚器件的40mV输入失调电压,可允许在250 mV检测电压下实现12位ADC的精度。它采用2.5V~36V或60V（带HV下标）电源工作,仅消耗大约60mA的电流,具有大约120 dB的PSRR。两个终端——FIL+ 与FIL-,通过在芯片输入分压器链路的中间增加一个电容器,可提供额外的差分信号滤波与共模信号滤波（图2）。工作时,运放将其反相与正相输入之间的电位驱动至零,以使输入电阻器中的电流流入Q1与Q2。电流镜将（图2）电流相加并以固定为8的输入－输出增益将其转换成单端输出。偏置引脚为电压输出提供一个参考电平,且一般连接至ADC的参考电压。此连接可确保IC的电流至电压转换器 (ROUT) 跟踪ADC参考电压随时间、温度的变化。正电流使输出电压相对于偏置电平为正,而负电流则正好相反。工业应用温度范围及汽车应用温度
范围的SOIC器件,指导价为2.05美元（批量1000片）。
　　另一种适合很多应用的选项利用从匹配晶体管对上构建的电流镜来反映小部分到接地负载电流。由Zetex 公司提供的第一代ZDS1009器件,R2两端的任何电压都会在R1中引起一个平衡电流（图3）。如果R3等于R4,则传输特性为(I×R2)×(R4/R1), 使得易于将接地参考的输出电压换算为适合ADC的电平。今天,该公司的ZXCT系列采用一个外部电阻器来设定电路增益,并采用3或5引脚SOT-23封装,一般在2.5V～20V电源范围内可为100mV检测电压提供1%的精度。Zetex公司市场营销经理Alan Buxton指出,5引脚器件通过包含一个用于IC静态电流的接地引脚而能提供更高的精度,对于针对在100mV检测电压上工作进行优化的 ZXCT1009器件,该静态电流通常为4mA。
　　“通过使其输出浮动,3引脚器件可提供更大的设计灵活性。只需简单地在芯片输出与连接至接地的换算电阻器之间增加一个合适的齐纳二极管,设计人员即可适应任何电源电压。” Buxton表示。对于汽车或工业应用,输入电源线与IC电流输出端之间的齐纳二极管,可保护芯片免受由继电器与螺线管引起的瞬态冲击。在过压期间,齐纳二极管导通以在器件两端保持安全电压。该IC的电流镜设计意味着如果有足够高的反相极性,则其晶体管为正向偏置,但齐纳二极管会提供一个二极管钳位来将电流从IC上转移开。Buxton称还可以将两个器件背靠背连接来构成一个双向测量电路,他还补充说,公司将很快推出具有这种能力的IC。3引脚SOT- 23封装的ZXCT1009芯片售价为45美分（批量1000片）。

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　　其他拥有可简化高端直流电流测量的专用IC的公司还有Ixys、美国国家半导体 (National Semiconductor) 与德州仪器 (Texas Instruments) 公司。Ixys公司最近刚进入该市场,其售价40美分（批量1000片）的IXI848芯片为采用8引脚SOIC封装,并能在2.7V至40V电源范围内工作。针对150mV检测电压特性化后的该IC,拥有典型0.7%的满量程精度。与内部精密电阻器的连接使用户能将增益设定为10 或50V/V,以适合一系列外部检测电阻器。由于连接至一个可在增益10上驱动33 kV或在增益50上驱动165 kV的电流源,故其电压输出一般需要进行缓冲。美国国家半导体公司的LM3814芯片则与众不同,因为它集成了可输出一个中心频率与分辨率分别为160 Hz及0.8%的PWM波形,从而适合直接与微控制器连接的△－Σ调制器。该芯片还集成了检测电阻器以适应61A或67A的满量程范围,并能分别以 95.5% 及4.5% 的占空比传输正、负满量程值。LM3814芯片采用8引脚SOP封装,售价约为1.50美元（批量1000片）。
　　德州仪器公司提供的5引脚SOT-23封装INA138与INA168单极型监视器,具有该公司Burr-Brown产品的传统,适合2.7V~36V或 60V电压工作。这些电流输出器件具有便于使用的单个电阻器换算特点,售价大约1.25美元（批量1000片）。该公司还提供各种拥有汽车AEC- Q100品资的类似监视器（如INA169等）与新型电压输出器件。该INA193/198系列能适应 -16V至+80V的共模输入电压,并能提供20、50及100V/V的固定传输比,以便与外部电流分路一起使用。这些售价为80美分（批量1000片） 5引脚SOT-23封装的器件,可在-40℃ ~ +125℃温度范围内采用2.7V至13.5V电源工作。

　　检测FET的开关电流
　　另一种在线电流测量方法采用一种FET结构,该结构在与主功率开关一样的裸片上用一个小尺寸电流检测垫片来构成所谓的检测FET。这里,功率开关与检测元件之间的几何匹配,再一次将一小部分负载电流反映至检测引脚,从而使接地电阻器产生一个接地参考电压。国际整流器 (International Rectifier) 公司的N沟道HEXSense MOSFET一般适合于开关应用,并能以典型±2.5%的精度处理高达50A的电流或高达500V的电压。其最近推出的无铅产品——额定60V的 IRCZ44PBF器件,拥有最大0.028Ω的导通电阻（假设有足够的散热）,从而允许以TO-220封装的器件处理50A的电流。它以1: 2460~1: 2720检测比输出电流。将运放的正相输入连接至器件的开尔文接地引脚、以及将反相输入连接至其检测引脚,即可利用运放反馈回路中的一个电阻器来将输出换算至任意电平。该器件指导价为1.45美元（批量1000片）。

　　英飞凌科技公司 (Infineon Techno
logies) 的Sense-ProFET系列智能功率开关具有类似的电流检测能力（图4）。这里,承载负载的晶体管可能拥有5万个单元,而检测晶体管则大约拥有10个单元。运放与P沟道FET在检测晶体管两端保持负载晶体管的电位,并将部分电流反映至接地。从理论上讲,此电流等于负载电流除以负载晶体管与检测晶体管单元数之比。这些N沟道高端开关以芯片层叠技术构建,具有电荷泵驱动器及一系列保护与诊断功能。该系列开关适合汽车与工业应用,采用各种TO-252表面贴装及TO-220/218通孔塑料封装,开关电流为17A至165A。其最高电流BTS555器件,具有仅为2.5 mΩ的导通电阻以及520A的内部短路电流极限。在这种水平上的电流检测功能,包括用外部电路来降低短路电流极限,以充分利用器件极低开关损耗的优势等（参考文献3）。BTS555的指导售价为4.50美元（批量1000片）。

　　用IC来测量交流与直流电流
　　传统非破坏性测量交流电的方法依靠保持有选择用于精密测量技术的电流变压器。使用时,电流导体通过电流变压器磁芯形成一个单圈初级线圈。可通过增加穿过磁芯的环路数来增加初级线圈匝数比,以获得更高的灵敏度。经过仔细设计以及平衡同轴负载电阻器,该技术很容易用专用宽带设备（例如可在高达2 GHz频率上工作的泰克公司 (Tektronix) CT6示波器电流探头等）来获得优于±0.5%的日常台式测量精度。常见台式应用包括,在传感器输出驱动示波器50Ω终端电阻、而另一通道测量触发电压时,测量设备开机期间的三端双向可控硅的主端电流。此应用给被测电流带来的负担可忽略不计,且不需要电源。但由于它是一种变压器技术,因此频率响应明显滞后于电源线路频率,且不能测量含直流分量的波形。
　　采用霍尔效应器件的电流换能器,有助于克服大多数工控应用所要求的从直流至100kHz带宽内的许多应用难题。像霍尼维尔 (Honeywell) 、LEM及Sentron等公司,都提供从数安培至数千安培适宜用作风力涡轮发电机等设备中的监视与控制逻辑的器件。在历史上,由于霍尔半导体器件的本性以及为信号调整电路供电所需的±12 或 ±15V电源电压,此类器件一直都具有不佳的灵敏度与实际的温漂。今天,常常含有斩波自稳放大器的ASIC,可在反馈环路内调整霍尔器件的输出。该环路可将温漂减少一个数量级或一个以上数量级,以提供通常位于VCC/2（其中VCC可以为5V单电源）中心的稳定、比例输出电压,从而简化与ADC的接口。灵敏度改善一般采用将霍尔效应器件夹于电路磁芯末端之间间隙中的磁场聚能器来实现。
　　同样的例子还包括LEM公司的LTS系列单极、闭环以及采用 5V电源工作的电流换能器。这些具有±6A、±15A及±25A额定初级电流指标的器件,可测量从直流到0.5 dB (100 kHz) 或 -1 dB (200 kHz) 的响应。该系列器件重10克并采用公共通孔安装,封装尺寸大约24 mm长、10 mm宽,在一个12.7mm栅格上有6个引脚,允许用三个串/并连连接至其三组内部线圈上。以此种方式,每一种器件都能提供比其相应额定初级电流分别大1 倍、2倍及3倍的引脚可配置增益。在上述每种情况下,输出电压为2.5V±0.625V,且输出电压线性度在0.5V电源内优于0.1%。此配置允许最高灵敏度的LTS 6-NP器件测量0 ~±19.2A的电流。这些器件的另一个特点是具有一个通过磁芯中心的通孔,因此可在电流载体只有一条通路的情况下,提供另一个允许进行差分测量的单位增益连接。该售价为10美元（批量100片）的器件目前可随处买到,包括从目录分发经销商处买到。其他系列还可提供适合工业仪表中4mA~20mA电流回路的电流输出。这里,可测量双向直流电流的能力适合在大电流电池组中进行隔离测量。

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　　其他通用器件,特别是适合汽车与工业应用的器件,还包括Allegro公司的ACS电流传感器系列。新近增加±5A ~±200A且不断在扩展的霍尔效应传感器系列中的新成员为额定±50A的传感器ACS754-050。就像系列中的其他成员一样,该无铅芯片采用5V电源工作但更换了一个电阻器,通常这能减少二到三个数量级的阻抗、功耗与压降。这种方法可使一些新封装适合于大电流应用。在这种情况下,封装就像额外增添两个具有最小插入损耗并让功率通过封装的真正翼的传统三端功率器件,其内阻刚好为100mΩ。比例电压输出来自于用ICBiCMOS（经过工厂微调达到最小增益与失调误差）构建的斩波自稳霍尔效应IC（图5）。结果在25℃时得到±1%的总输出误差,并在-20℃~+85℃温度范围内保持为±5%。扩展应用显示,在-40℃~+
150℃汽车极端温度范围内误差小于±10%。其35kHz带宽及3 kV rms的输入－输出隔离还适合在电机控制等低频交流应用中使用。ACS754目前售价大约为3.23美元（批量1000片）。
　　Allegro公司欧洲应用经理Bob Christie,针对该公司具有±5A与±15A两个品种的新型8引脚SOIC封装ACS704器件指出,“ACS704将电流引入SOIC封装以尽可能靠近裸片上的霍尔板来获得更高的精度与灵敏度,同时仍使其内部电阻保持在1.5 mΩ的低水平上。”他补充说,通过将电流路径引入封装,ACS704还能控制漏电以及使其800V-rms电压隔离指标成为可能的间隔距离。该器件可用 5V单电源工作,其输出灵敏度通常可达133 mV/A（5A器件）及100 mV/A（15A器件）。输出电压位于VCC/2中心,并具有代表正电流的正斜率。两型器件都具有直流至50kHz的带宽,从而适合于各种小电流及空间有限的应用。该器件目前已供货,指导售价为1.61美元（批量1000片）。

　　附文:电表需要采用电子测量
　　各地消费者所熟悉的电磁瓦特计,是少数几种维多利亚时代保留下来的机电设备之一。其长寿命很大程度上得益于传统应用（例如加热与白炽灯照明等）不变的电气要求。
　　但今天的消费者给电力公司压上了由荧光灯、白商品（大型家电）以及其他消耗大量传统电表无法计费的无功功率的家用电器所带来的沉重负担。结果,很多电力公司都在考虑可展现不良功率因素、要求电表报告有功功率与视在功率的另类住宅计费装置。这种测量要求IC计算测量结果,并与一个低成本机电计数器或与一个一般能提供适宜每天多次计费的LCD读数的微控制器进行接口。
　　由于认识到了巨大的市场潜力,因此像Analog Devices、austriamicrosystems、Cirrus Logic、TDK Semiconductor、SCL印度、意法半导体 (STMicroelectronics) 以及德州仪器 (Texas Instruments) 等公司都在提供各种可简化交流电功率测量的芯片。
　　其中,当前的市场领导者为已推广应用了5000万个电表的Analog Devices公司。其最新产品为其流行的ADE7755的改进型ADE7757A,ADE7757A 的引脚数获得了减少。该新芯片通过用一个振荡器来驱动数字信号处理块以及为电流旁路提供一个直接接口来降低成本（图A）。其两个16位Σ－Δ ADC包括了主要的模拟电路,并以450 kHz的过采样速度将电压与电流通道信号数字化。通过对瞬时功率信号的数字处理,该芯片可计算出实际功率。也就是说,它从其电压与电流测量值的实时乘积推算出实际功率。电流通道中的高通滤波器滤除任何直流成分,否则会给乘积运算带来固定误差。

　　模拟输入带宽约为7 kHz,使FFT算法在处理非正弦波信号时能保持精度。在该芯片的45Hz - 65Hz测量带宽内,在500比1动态范围内精度优于0.1%,超过IEC-61036标准的精度要求。输出信号包括一对低频脉冲信号,以与机电计数器或微控制器相配。独立的高频逻辑输出可反映瞬时实际功率测量,适合进行设备校准。该芯片采用16引脚窄体SOIC封装,可联系ADI公司获取样品。
　　大约在本文发稿时推出其首款产品的意法半导体公司,是又一家进入电表市场的企业。基于该公司0.35微米BiCMOS工艺的STPM01芯片,目标瞄准单相电路中的单独0.5类电表应用,利用其步进电机的输出来驱动机电电表。（注：“分类”术语将是0.5%测量精度归于单位功率因子电路）
　　此外,该芯片还能作为微控制器的外围器件工作,并能在单相、三相环境中提供有功、无功及视在功率测量。利用两组电流输入IIP1/N1与IIP2/N2, STPM01可任意适应火线与中性线电流测量（图B）。此特点使其能检测20种篡改形式,从而能保证电表不会被窃电（这在某些地区是一种常见的现象）。

　　其模拟前端适合采用电流分路器、电流变换器或Ro
gowski线圈,可通过使用芯片的SPI接口对其48位OTP（一次性可编程）存储器进行编程来完成器件设定与校准。此SPI链路还能与微控制器通信。
　　校准调整包括电压与电流校准、相位校正及温度补偿。专用输出包括报告即时可视状态的LED驱动器,以及一个能控制外部负载切换以避免产生电弧与干扰的零交叉交流检测器。STPM01采用20引脚TSSOP封装。可登陆该公司网站来了解报价与定购信息。
　　ADI与意法半导体两家公司都提供简化仪表开发的参考设计与低成本评估套件。