简化电流感应,如何使用电流检测放大器进行设计(一)

模拟技术   作者:TI,Scott Hill, Dennis Hudgins, Arjun Prakash, Greg Hupp, Scott Vestal, Alex Smith, Leaphar Castro, Kevin Zhang, Maka Luo, Raphael Puzio, Kurt Eckles 时间:2020-01-15来源:TI(德州仪器)

使用数字电流传感器进行功耗和能耗监测

随着对高能效系统的需求不断增长,精确监测系统功耗 和能耗变得越来越重要,而这也是越来越多的工程师必 须解决的问题。该问题的一种解决方案是对电流和电压 均使用模数转换器 (ADC),然后在处理器中对结果做乘 法以获得功耗。不过,获取电流和电压信息之间的通信 延迟和开销会在功耗测量中引入时间对准误差,因为电流和电压都可能彼此独立地变化。

为了尽可能减小电压和电流测量之间的延迟,处理器需 要为 ADC 通信和功耗计算提供足够的处理能力。即使 具有主要 用于此功能的处理器,与系统中其他器件的任何交互也 可能延迟电压和电流测量并降低功耗监测精度。增加额 外的职责(如计算平均系统电压、电流和功耗以及进行 能耗监测)将进一步加重处理器执行额外功能的负担。

一种更好的功耗监测方法是使用数字电流监视器来执行数学处理,将处理器解放出来处理其他系统任务,仅在 需要进行更高级别的系统操作时通知处理器。TI 提供 广泛的数字功耗和电流监视器来解决该问题。一款此 类器件是INA233,它可以通过与 I2C、系统管理总线 (SMBus)、电源管理总线 (PMBus) 兼容的接口来监测电 压、电流、功耗和能耗。图1 INA233的方框图。

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图1:INA233典型应用电路

图2是电源转换引擎的简化方框图。在该图中,在 内部以交错方式通过分流电压和总线电压测量值计算功耗,从而最大限度地减小功耗计算中的时间对准误差。

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图2:INA233电源转换引擎

内部功耗计算在后台执行,不影响 ADC 转换速率或数字总线通信。该器件还具有一个ALERT引脚,它会在电 流、功耗或总线电压超出预期工作范围时通知主机处理 器。INA233会独立处理故障事件;在ALERT引脚有效 时读取内部状态寄存器可以报告多个同时存在的故障情 况。INA233的内部处理和通知功能可将主机处理器解放 出来管理其他任务,同时该器件会 持续监测系统。仅当需要额外的关注时,才会通过ALERT引脚通知主机处理器。 

INA233还具有一个 24 位的功耗累加器,它会将当前的 功耗读数 与先前的功耗读数之和相加。该功耗累加器可监测系统 能耗,从而得到随时间推移的平均功耗测量值。由于功耗水平可能在任何给定时刻波动,因此通过能耗监测可以更好地衡量长时间范围内的平均系统 功耗。了解系统能耗还可以衡量系统运行时间和功效, 以及涉及电源电压和处理器时钟频率调节的功耗优化的 效果。

用于分流电压和总线电压测量的ADC转换时间可编程为 介于 140μs 和 8.244ms 之间。较长的转换时间有助于 降低噪声敏感性和提高器件测量的稳定性。图 3 显示了增加 ADC 转换时间的 效果。

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图3:噪声与ADC转换时间的关系

除了可编程的ADC转换时间之外,该器件可对多达 1,024 个转换周期计算平均值,并在平均值计算完成后 更新内部功耗、电流和电压寄存器。通过可编程转换时 间以及平均值计算窗口,可以调节器件遥测更新速率以 满足系统时序需求。

尽管INA233 具有内置的平均值计算和可调节的 ADC 转 换时间,但您必须等待平均值计算完成后才能读取结 果。内部功耗累加器的一个好处是使主机能够按需计算平 功耗,从而消除等待平均值计算时间间隔结束的延迟。

通过获取总累加功耗值并除以该累加周期的 总样本数,可按需获得平均功耗读数,如公式 1 所示:

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计算出平均功耗之后,可以通过将平均功耗乘以该平均 值的时间间隔或通过将总累加功耗乘以 ADC 转换时间来 确定能耗,如公式 2 所示: 

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由于 ADC 转换时间可以变化高达10%,因此最好用平均功耗乘以使用外部时间基准测出的时间。能耗计算的时间间隔应 该足够长,从而使数字总线产生的通信时间 对于能耗计算中使用的总时间而言无关紧要。INA233 中的功耗累加器的大小限制在 24 位。主机应定期读取累加器的值并将其 清除以避免溢出。还可以将累加器配置为在每次读取后自动清除。

溢出的时间将是功耗、ADC 转换时间和平均时间的函数。相对于较低的功耗水平,较高的功耗水平将导致功 耗累加器更快发生溢出。此外,较长的转换时间和更高 的平均数将 延长溢出的时间;在较低功耗的情况下, 溢出的时间可以延长至几个小时, 甚至长达几天。

INA233 是 TI 提供的诸多数字电流监视器之一。表 1 显示了一些还可以监测系统并有助于将主机处理器解放出来处理更高级别任务的替代器件。

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使用电流检测放大器的PLC系统中分立式数字输出的安全和保护

可编程逻辑控制器 (PLC) 是一种在用于工厂自动化应用 的工业控制系统中最广为接受的计算机协议。PLC 系统 是用于控制、提供系统状态和设置系统状态优先顺序的 维修系统。这种控制器通过与现代计算机非常相似的基 本二进制逻辑进行编程。

PLC 系统由以下部分组成:

PLC 计算机处理器。

电源机架。

电源背板。

数字输入和输出模块。

模拟输入和输出模块。

计算机软件.

用于远程连接的网络接口. 

PLC 系统广泛用于可加快工业 4.0 革命的工业应 用。PLC 系统能够更快地集成半导体器件,实现控制和自动化,从而提高效率和工厂生产能力。工业自动化 和集成示例包括控制温度、打开和关闭故障指示灯、使用压力传感器对包裹进行称重或打开和关闭电磁阀继电器。 

由于工业系统可能是高频信号和噪声与低电压信号相互掺杂的嘈杂环境,因此PLC系统的输出模块是光耦合的。抗噪声稳定性、简单的架构、编程语言易用性、工 业认证和安全功能是PLC系统成为最广泛使用的工业协 议的原因。

图1说明了 PLC 系统的输入和输出,它们分为数字和 模拟两种类型。 数字输入为控制电路提供开/关状态。 数字输入器件的一些示例包括限位开关、光电传感器、 接近传感器和压力传感器。模拟输入器件(例如 热电偶、转速计和力敏传感器)提供可变的输出响应。

PLC数字输出用于打开和关闭起动机以使用电机,打开灯以指示故障或控制使用继电器的电磁阀。

模拟输出包括电流水平输出和电阻水平,它们可控制和监测加热器或控制电机的转速。

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图1:PLC系统方框图

图 2 显示了一个 PLC 数字输出电路。 PLC 数字输出具备高达1A的高驱动

– 强度功能。连接之后的数字输出可以驱动电磁阀继电器,以控制 PLC 控制器启动的操作。

与负载串联的分立 式电流传感器(如图 2 所示)持续监测流向负载的 电流, 并向控制器报告存在过多电流以采取措施。由于 PLC 数 字输出的摆幅范围为 -0.7V 至 24V,因此失调电压和增 益误差较低的高侧电流检测放大器可确保高输出驱动的 安全。

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图2:PLC数字输出灌电流电路

由于 PLC 数字输出驱动可能很高,因此灌电流能力是其 中的一个关键安全 HF。输出设计有 N 沟道 P 沟道 N 沟道 (NPN) 晶体管 以及内置的二极管以实现过压保护。当使用 PLC 数字输 出时,来自电源的灌电流会始终处于 PLC 额定过热工作 范围内。分立式电流检测放大器可保护数字输出免受过 流情况的影响,提供诊断以解决有故障的负载状况,并针对过早的系统故障采取预防性措施。

通过将 PLC 数字输出直接连接到高电流电磁阀驱动器或 高电流 LED 灯,可以在工厂自动化应用中关闭继电器或 指示故障。如果电流输出驱动高于 PLC 系统的额定值, 则可以使用分立式场效应晶体管 (FET) 来控制从 24V 电源到负载的电流。

图 3 说明了PLC数字输出与外部低 RDS(on) FET 的连 接(用于进一步增加输出驱动强度)。 该方法的一个缺 点是外部 FET 的可靠性问题。使用电流检测放大器来监 测负载电流可确保 PLC 系统安全运行。 

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图3:PLC分立式数字输出控制

INA240是双向电流检测精密放大器,在工作温度范围内 具有较低的输入失调电压和增益漂移,可用于测量分立 式 PLC 数字输出上的电流。 INA240 专用于共模瞬变具 有较大的 dv/dt 信号的开关节点环境。由于能够抑制较 高的 dv/dt 信号,因此可对电流进行精确测量,从而确 保必要的 保护并符合所需的安全标准。INA240 的最大输入失调电 压较低,为 25μV,最大增益误差为 0.2%,可在不影响 测量精度的情况下使用较小的分流电阻值。

失调电压温漂和增益误差漂移分别低至 0.25μV/°C 和 2.5ppm/°C,从而能够在不同温度下实现精确且稳定的 电流测量。INA240 的信号吞吐量带宽为 400kHz,增益 为 20。高带宽和高压摆率 (2V/μs) 使得该放大器可以快速检测过流或短路负载情 况,前提是 PLC 系统内的采样 ADC 的速度足够快,能 够对电流进行采样。

备选器件建议

LMP8480是适合这种应用的另一种推荐器件。LMP8480 单向高侧电流检测放大器,可支持4V到76V的共模电压。

LMP8480上的电源可高达76V,这样就可以连接直接通 过 24V PLC 直流电源供电的电流检测放大器 - 从而 需创建额外的低电压电源。 

MP8480 还提供高达 5mA 的高输出电流。该高输出电流 有助于驱动较长的电容电缆,而不会影响信号完整性, 也不需要额外的输出缓冲器

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简化电池测试设备中的电压和电流测量 在向客户发货之前,电池测试设备验证电池组的功能和性能。电池测试仪执行三种主要的功能测试:

   电池化成和分容。在组装电池单元或电池组之后,每个单元必须经历至少一个完全受控的充电或放电循 环,以初始化该设备并将其转换为正常工作的储电 设备。

电池供应商还使用这种方法对电池单元进行分容,这是 根据目标规格将电池分成不同性能组的过程。如需 更深入地了解电池初始化电路,请参阅双向电池初始化系统电源板参考设计

   环路和特性测试。环路和特性测试是指通过重复充 电和放电序列来循环运行电池或电池组。这可以验 证电池的特征寿命和可靠性参数是否处于规定的容 差范围内。

   功能测试。功能测试验证电池组在发货前是否正常 运行,并确保每个电池和电池组正常工作。 



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图1:传统电池测试设备方框图

在典型系统中,降压转换器用作电池充电的电源,升压 转换器用于电池放电。传统运算放大器和仪表放大器 (INA) 都在反馈环路中 用于控制电压和电流的充电和放电。

为了给电池充电,降压转换器应启用,而第一级电压运 算放大器和电流检测 INA测量电池电压和电池或电池 组的充电电流。这些经调节的信号分别用作电压回路或 电流回路的第二级误差运算放大器的输入。

每个误差运算放大器的增益输出用作第三级缓冲运算放大器的输入。缓冲运算放大器的输出馈送到降压转换器的反馈引脚中,以控制输出电压或电流。根据输出电流要求,可以通过多 种方式来实现降压/升压功能;不过有两种方法是最常见的。 对于更高电流要求,您可以使用集成式充电控制器和外 部场效应晶体管 (FET)。但是,对于成本敏感型系统中 常见的低电流要求,您可以通过离散方式实现此功能, 如图 2 所示。 

只需调整误差运算放大器正输入引脚上的 VV_ref 和 VI_ref,即可将降压转换器的目标输出电压和电流调整 到最佳值。在典型的电池充电应用中,电流环路误差运 算放大器的输出电压开始为高电平,使降压转换器进入恒流输出模式。

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图2:电池测试设备典型放大器配置

在下一个相位中,电压环路误差放大器的 输出电压变高,从而使降压转换器进入恒压输出模式。电池放电时,禁用升压转换器。运算 放大器控制电池放电电流和电压,其工作原理与电池充 电时相同。升压转换器将电池电压提升至 VDC,该电压 通常为12V。

典型的系统要求为:

经调节的电流误差ERR IOUT=0.1%。

经调节的电压误差 ERR VOUT = 0.5%。

为了满足这些要求,您需要一个具有低失调电压 (VO S)、低 VOS温度漂移和高共模抑制比 (CMRR) 的运算 放大器,如TLV07。 运算放大器与功率级形成一个闭环。误差运算放大器的反相输入端上的电压将非常接近基准电压 VV_ref和VI_ref,从而最大限度地减小了大环路增益产生的误差。由于主要误差来自电压和电流检测放大器,因此选

例如,如果所需的经调节的输出电流目标ISET为10A,并且电流检测电阻器RSENSE为20mΩ,则放大器的 输入误差如公式 1 所示: 

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如果所需的经调节的输出电压设置为VSET4.2V,则放大器的输入误差如公式2所示:

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假设温度从 25°C 升至 85°C 且电池电压为 4V,那么 您可以轻松计算低失调电压和低失调电压温漂运算放大 器(如 TLV07)产生的实际误差,如公式 3 所示。 择精密放大器非常重要。 在下一个示例中,我们使用的 INA 集成了所有反 馈电阻器,提供 VOS_max= 150μV、dVOS/dTmax=0.5μV/°C, 非常适合在具有简化设计的系统中执行电流分流放大 器功能。 如果系统需要更高的性能规格,则可以将电流和电压 误差分别更改为 0.05% 和 0.1%。在这种情况下,您 可以使用零漂移 INA188 等精密 INA。假设条件与第 一个示例相同,温升为 60°C,VBAT为 4V, 那么 INA188 的实际误差为:

VI_ERR_RTI= 67μV。

VV_ERR_RTI≤4.2mV。

通过查看图3,您可以看到是电流检测电阻器导致了I +和I-贡献。B+和B-分量来自电池的正负端子。由于实际的电池电压可能高于 5V,因此典型的运算放 大器电源为12V。

TLV07、INA188 和 INA125都具有 36V 的最大 (±18V) 电源电压,符合系统要求。

由于在充电和放电周期中电池电流可能接近于零,因此 在第一级电流检测运算放大器中实现双极电源可避免削 减电流检测信号。会分别使用 R12、C3 和 C4 以及 R 6、C1 和 C2 对误差运算放大器的每个级应用 III 型补偿。为确保环路稳定性,您应根据实际电源设计对这些值进行微调。

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图 3:高端应用中采用TLV07和INA188的电压和电流检测电路

电压和电流检测是电池测试设备系统中最重要的两项测量。该应用最重要的器件规格是具有低失调电压和漂移的器件。 这些参数对于确保高性能检测而言至关重要,同时最大限度地减少了对系统误差的第一级贡献。

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关键词: PCB PWN

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