摘要：將模擬乘法器和高邊電流檢測(cè)放大器相結(jié)合，能夠在筆記本電腦或其它便攜儀器中實(shí)現(xiàn)電池充、放電電流的測(cè)量。本文討論將模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的基準(zhǔn)電壓加到模擬乘法器的一個(gè)輸入端，以提高電流測(cè)量的方法。

　　引言

　　在對(duì)可靠性和性要求非常高的應(yīng)用中，大量使用了高邊電流檢測(cè)放大器。筆記本電腦中，它被用來(lái)監(jiān)測(cè)電池的充、放電電流，也可以用來(lái)監(jiān)測(cè)USB口和其它電壓的電流。為了控制系統(tǒng)發(fā)熱和電源損耗，要求降低這些電壓的輸出功率。在便攜式消類(lèi)產(chǎn)品中，高邊電流檢測(cè)放大器用來(lái)監(jiān)測(cè)鋰電池的充、放電電流。汽車(chē)應(yīng)用中，這樣的放大器不僅可以監(jiān)測(cè)電池電流，也可以用來(lái)進(jìn)行馬達(dá)控制和GPS天線(xiàn)檢測(cè)。在通信基站中，這樣的放大器也被用來(lái)監(jiān)測(cè)功率放大器的電流。

　　很多應(yīng)用中，高邊電流檢測(cè)放大器能夠直接與模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)相連。有一些ADC由外部基準(zhǔn)電壓決定滿(mǎn)量程輸入范圍，它們的輸出在很大程度上取決于基準(zhǔn)電壓的。

　　本文介紹了在多數(shù)應(yīng)用中，如何利用一個(gè)集成了高邊電流檢測(cè)放大器的模擬乘法器來(lái)檢測(cè)電池的充、放電電流。本設(shè)計(jì)方案通過(guò)把ADC的基準(zhǔn)電壓加到模擬乘法器的輸入端，有效提高了檢測(cè)。

　　高邊與低邊電流檢測(cè)技術(shù)

　　高邊、低邊電流檢測(cè)是兩種通用的電流測(cè)量方法。高邊檢測(cè)是在電源(如電池)和負(fù) 載之間放一個(gè)檢流電阻；低邊檢測(cè)是在地回路上串聯(lián)一個(gè)檢流電阻，這種方法與高邊檢測(cè)相比有2 個(gè)缺點(diǎn)：，如果負(fù)載發(fā)生意外短路，低邊電流檢測(cè)放大器將被 旁路，不能檢測(cè)短路狀態(tài)；第二，由于在地回路中引入了所不期望的阻抗，從而把地平面分割開(kāi)。

　　高邊電流檢測(cè)也有一個(gè)缺點(diǎn)：電流檢測(cè)放大器必需支持高共模電壓 輸入，幅度取決于具體的電壓源。高邊檢測(cè)主要用于電流檢測(cè)放大器，而低邊檢測(cè)可采用簡(jiǎn)單的運(yùn)算放大器，只要這個(gè)放大器能夠處理以地為參考的共模輸入即可。

　　利用高邊檢流放大器測(cè)量功率

　　圖1 說(shuō)明了如何利用集成了模擬乘法器的高邊電流檢測(cè)放大器MAX4211 測(cè)量供給負(fù)載的功率(定義為負(fù)載電流與電壓的乘積)。高邊電流檢測(cè)提供與負(fù)載電流成比例的電壓輸 出，該輸出電壓加到模擬乘法器，而模擬乘法器的另一個(gè)輸入為負(fù)載電壓。由此，乘法 器輸出一個(gè)與負(fù)載功率成正比的電壓。

　　圖1. 高邊電流檢測(cè)(MAX4211)，把負(fù)載電壓和負(fù)載電流相乘，得到正比于負(fù)載功率的模擬輸出電壓

　　模擬乘法器在高邊電流檢測(cè)放大器中的使用

　　這里的模擬乘法器不僅僅提供功率測(cè)量，還可提供其它用途。如果其外部輸入沒(méi)有連接 到負(fù)載電壓，也可以把它連接到ADC 的基準(zhǔn)電壓。這種情況下，乘法器將不再測(cè)量功率， 而是把電流檢測(cè)放大器的輸出電壓與ADC 的基準(zhǔn)電壓相關(guān)聯(lián)。 圖2 說(shuō)明了這種用法，高邊電流檢測(cè)放大器測(cè)量電池的充電電流。電壓輸出(POUT)加到 輸入范圍為0V 至VREF 的16 位ADC。這里，外部穩(wěn)壓源提供VREF，電壓范圍：1.2V 至 3.8V (該例中為3.8V)。

　　乘法器的輸入范圍是0 到1V，可以把3.8V 基準(zhǔn)電壓通過(guò)R1/R2 分壓實(shí)現(xiàn)。假設(shè)R2 = 1kΩ，R1 = 2.8kΩ，則VIN = 1V。MAX4211 的增益為25，則電 壓測(cè)量范圍為：0 到150mV，輸出電壓(對(duì)POUT 和IOUT)范圍為0 至3.75V (與流入負(fù)載 的電流成正比)。

　　圖2. 該電路利用檢流放大器(MAX4211)和帶外部基準(zhǔn)的ADC，測(cè)量電池充、放電電流

　　圖3 提供了一個(gè)類(lèi)似應(yīng)用，ADC 具有內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，這里介紹的應(yīng)用是用于內(nèi)置基準(zhǔn)和外部基準(zhǔn)ADC 的情況。

　　圖3. 該電路中，MAX4211 配合內(nèi)置基準(zhǔn)的ADC 測(cè)量充電及放電電流

　　利用電流檢測(cè)放大器的POUT 作為輸出，而不是IOUT，其優(yōu)點(diǎn)是：加到ADC 的信號(hào)(正比 于負(fù)載電流)可以通過(guò)VREF 降下來(lái)。用POUT 作為輸出，降低了對(duì)基準(zhǔn)電壓的要求， 因?yàn)锳DC 的數(shù)字輸出取決于輸入電壓與基準(zhǔn)電壓(代表滿(mǎn)量程值)的比。因?yàn)镻OUT 是基準(zhǔn)電壓的函數(shù)，因此消除了基準(zhǔn)對(duì)ADC 測(cè)量的影響，理論上與基準(zhǔn)電壓及其無(wú) 關(guān)。

　　如果把IOUT 接ADC，則基準(zhǔn)上的任何誤差都將影響到輸出。以下兩個(gè)公式分別給出了ADC 輸入與ADC 滿(mǎn)量程范圍的比值，由此解釋了上述結(jié)論：

　　式1 采用POUT 輸出，ADC 將與VREF 無(wú)關(guān)；式2 采用IOUT 輸出，將產(chǎn)生一個(gè)與 VREF 成反比的誤差。

　　圖2 和圖3 的整體取決于很多因素：電阻、放大器增益誤差、電壓失調(diào)、偏置 電流、基準(zhǔn)電壓的、ADC 誤差以及上述參數(shù)的溫漂。圖2 和圖3 給出了提高系統(tǒng)精 度的解決方案，利用MAX4211 模擬乘法器可以消除誤差源之一—基準(zhǔn)電壓誤差。

　　VREF 的至少與以下三個(gè)因素有關(guān)：

　　初始誤差(標(biāo)稱(chēng)值的百分比)

　　VREF 隨負(fù)載的變化

　　VREF 隨溫度的變化

　　圖4 描述了上述第2 個(gè)誤差源，隨著VREF 負(fù)載的提高，VREF 輸出從3.8V 降到1.2V。POUT 將隨著VREF 變化，變化規(guī)律與之相同。

　　圖4. VREF 隨負(fù)載的變化曲線(xiàn)，這里給出的是POUT/IOUT 隨VREF 的變化，VSENSE = 125mV 圖5、圖6 和圖7 給出了VCC = 5V、VSENSE 保持固定100mV 時(shí)，VREF 和MAX4211 輸出 隨溫度的變化。

　　圖2 電路的工作溫度從-40°C 變化到+85°C，以20°C 為級(jí)差(-20°C、 0°C、+25°C、+45°C 和+65°C)，圖5 曲線(xiàn)顯示了VIN 隨溫度變化的結(jié)果(即VREF 在 整個(gè)溫度范圍內(nèi)的溫漂)。

　　圖5. VIN 隨溫度的變化曲線(xiàn)

　　圖6 給出了MAX4211 的IOUT、IOUT/VIN 隨溫度的變化曲線(xiàn)，與ADC 的輸入信號(hào)/滿(mǎn)量程信號(hào)之比成正比(如果用IOUT 輸出驅(qū)動(dòng)ADC)。

　　圖6. IOUT、IOUT/VIN 隨溫度的變化曲線(xiàn)，VSENSE = 100mV IOUT/VREF 之比隨溫度的變化與圖5 所示VIN 隨溫度的變化曲線(xiàn)有關(guān)。

　　圖5 中，VIN 在0°C 和+45°C 之間向下彎曲，對(duì)應(yīng)于圖6 IOUT/VIN 在相同溫度范圍的凸起部分。這樣，ADC 的測(cè)量值會(huì)因?yàn)榛鶞?zhǔn)(VREF)受溫度的影響而發(fā)生變化。

　　，圖7 給出了MAX4211 的POUT、POUT/VIN 隨溫度的變化曲線(xiàn)。從中可以看出：POUT/VIN 與ADC 輸入信號(hào)/滿(mǎn)量程比成正比關(guān)系。

　　圖7. POUT、POUT/VREF 隨溫度的變化曲線(xiàn)，VSENSE = 100mV

　　從圖7 可以看出，POUT/VIN 與VIN 隨溫度的變化無(wú)關(guān)。VIN 在0°C 到+45°C 之間向下彎曲經(jīng)過(guò)POUT 輸出后進(jìn)行了“補(bǔ)償”，因?yàn)閂IN 沒(méi)有出現(xiàn)在POUT/VIN 曲線(xiàn)，相應(yīng)地，ADC 的輸出也不會(huì)受VREF 隨溫度改變的影響。

　　圖8 給出了IOUT/VIN 和POUT/VIN 與其相應(yīng)的理想線(xiàn)性特性的差異。

　　圖8. POUT/VIN、IOUT/VIN 隨溫度的變化曲線(xiàn)，VSENSE = 100mV

　　結(jié)論

　　集成了模擬乘法器的高邊電流檢測(cè)放大器通常用來(lái)測(cè)量負(fù)載功率。不過(guò)，這種集成乘法 器也可以提供另一種功能。電流檢測(cè)放大器可以連接內(nèi)置或外置基準(zhǔn)的ADC。兩種情況 下，整體測(cè)量主要與基準(zhǔn)電壓(VREF)的有關(guān)。如果把負(fù)載電流與基準(zhǔn)電壓VREF 相乘后輸出到ADC，將可以消除基準(zhǔn)電壓的誤差。采用這種設(shè)計(jì)，即使是使用低成本、 低的基準(zhǔn)電壓，也可以提高負(fù)載電流的測(cè)量。