帶檢測電阻器的無線電流檢測電路浮動

出處：ADI 發(fā)布于：2023-01-04 13:50:40

測量流過檢測電阻的電流似乎很容易。放大電壓，用ADC讀取，現(xiàn)在您知道電流是多少了。但是，如果檢測電阻位于與系統(tǒng)地非常不同的電壓上，則會變得更加困難。橋接該電壓的典型解決方案在模擬域或數(shù)字域中有所不同。但這里有一種不同的方法 — 無線。
模擬電流檢測IC是緊湊型解決方案。但是，它們可以承受的電壓差受到半導體工藝的限制。很難找到額定電壓超過100 V的器件，如果檢測電阻的共模電壓變化迅速或系統(tǒng)地電位以上和以下擺動，這些電路通常會失去精度。
數(shù)字隔離技術（磁性或光學）體積更大，但工作時不會降低精度，通?？梢猿惺軘?shù)千伏的電壓。這些電路需要一個隔離電源，但有時可以集成在隔離器組件中。如果檢測電阻與主系統(tǒng)在物理上是分開的，則可能還需要鋪設長電線或電纜。
無線電流檢測電路克服了許多這些限制。通過允許整個電路隨檢測電阻的共模浮動，并通過無線方式傳輸測量數(shù)據(jù)，完全沒有電壓限制。檢測電阻可以位于任何地方，無需鋪設電纜。如果電路的功耗非常低，那么您甚至不需要隔離電源，而是可以使用小電池運行多年。

設計概述

圖1顯示了該設計的框圖。電流檢測電路基于 LTC2063 斬波穩(wěn)定運放，以放大一個檢測電阻器兩端的壓降。微功耗SAR ADC AD7988對數(shù)值進行數(shù)字化處理，并通過SPI接口結果。LTP5901-IPM 是一款無線電模塊，它不僅包含無線電，還包含自動形成基于 IP 的網(wǎng)狀網(wǎng)絡所需的網(wǎng)絡固件。此外，LTP5901-IPM 還內置一個微處理器，用于讀取 AD7988 ADC SPI 端口。LTC?3335 是一款低功率、DC-DC 電源，可將電池電壓轉換為一個恒定輸出電壓。LTC3335 還包括一個庫侖計數(shù)器，用于從電池抽取的累積電荷。
圖1.低功耗、無線電流檢測電路由低功耗斬波運算放大器組成，以放大檢測電壓。它使用低功耗ADC和基準電壓源進行數(shù)字化，并連接到SmartMesh IP無線電模塊。低功耗DC-DC轉換器可調節(jié)電池，并跟蹤從電池汲取的電荷。
信號鏈
LTC2063 是一款超低功率、斬波穩(wěn)定型運放。該器件的電源電流為 2 μA，特別適合電池供電應用。由于失調電壓小于10 μV，因此可以測量非常小的壓降，而不會降低精度。圖2顯示LTC2063配置為在10 mΩ檢測電阻上對電壓進行增益和電平轉換。選擇增益時，檢測電阻的±10 mV滿量程輸入（相當于±1 A電流）映射到輸出端的近滿量程范圍，以1.5 V為中心。該放大信號被饋入16位SAR ADC。選擇AD7988是因為它具有極低的待機電流和良好的直流精度。在低采樣速率下，ADC在兩次轉換之間自動關斷，在1 kSPS時平均電流消耗僅為10 μA。LT6656 對放大器、電平轉換電阻器和 ADC 的基準輸入進行偏置。LT6656基準電壓源功耗不到1 μA，能夠以低壓差驅動高達5 mA的負載，因此即使采用3.3 V系統(tǒng)電源供電，也可以輕松輸出的3 V電壓。
該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，共貢獻約0.5%。它們是LTC2063和AD7988的失調電壓，以及電平轉換電阻中的失配（建議使用0.1%電阻）。單點校準步驟可以在很大程度上消除這種偏移。增益誤差通常由可用檢測電阻的不準確性決定，其精度往往低于LT6656基準電壓源的0.05%、10 ppm/°C規(guī)格。

圖2.電流檢測電路隨檢測電阻電壓浮動。LTC2063斬波運算放大器放大檢測電壓并將其偏置至AD7988 ADC的中間電源軌。LT6656-3提供精密3 V基準電壓源。
電源管理
LTC3335 是一款具有集成庫侖計數(shù)器的毫微功耗降壓-升壓型轉換器。該器件配置為從1.8 V至5.5 V輸入電源提供3.3 V穩(wěn)壓輸出。這允許電路由兩個堿性原電池供電。對于占空比無線應用，負載電流很容易在1 μA至20 mA范圍內變化，具體取決于無線電是處于活動模式還是睡眠模式。LTC3335在空載時的靜態(tài)電流僅為680 nA，當無線電和信號鏈處于休眠模式時，可使整個電路以非常低的功率工作。盡管如此，LTC3335仍可輸出高達50 mA的電流，從而在無線電發(fā)送/接收期間以及為各種信號鏈電路輕松提供足夠的功率。
LTC3335 還具有一個方便的內置庫侖計數(shù)器。切換時，它會跟蹤從電池中吸取的總電量?？梢允褂?I 讀取此信息2C 接口，然后可以用作何時更換電池的預測因子。
無線網(wǎng)絡
LTP5901-IPM 是一款完整的無線模塊，包括無線電收發(fā)器、嵌入式微處理器和 SmartMesh IP 網(wǎng)絡軟件。LTP5901-IPM 在此應用中執(zhí)行兩種功能：無線網(wǎng)絡和內務管理功能（過程）。當多個 SmartMesh IP 微塵在網(wǎng)絡管理器附近通電時，這些微塵會自動相互識別并形成無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡。整個網(wǎng)絡自動進行時間同步，這意味著每個無線電僅在非常短的特定時間間隔內通電。因此，每個節(jié)點不僅可以用作傳感器信息源，還可以用作路由節(jié)點，將數(shù)據(jù)從其他節(jié)點中繼到管理器。這創(chuàng)建了一個高度可靠的低功耗網(wǎng)狀網(wǎng)絡，其中從每個節(jié)點到管理器的多條路徑可用，即使所有節(jié)點（包括路由節(jié)點）都以非常低的功耗運行。
LTP5901-IPM 包括一個運行網(wǎng)絡軟件的 ARM Cortex-M3 微處理器內核。此外，用戶可以編寫應用程序固件來執(zhí)行特定于用戶應用程序的任務。在本例中，LTP5901-IPM 內部的微處理器讀取電流測量 ADC （AD7988）的 SPI 端口并讀取 I??2庫侖計數(shù)器（LTC3335）的 C 端口。微處理器還可以將斬波運算放大器（LTC2063）置于關斷模式，從而進一步將其電流消耗從2 μA降至200 nA。這為測量間隔極長的使用型號提供了額外的節(jié)能效果。
總功耗
整個應用電路的總功耗取決于各種因素，包括信號鏈讀取的頻率以及節(jié)點在網(wǎng)絡中的配置方式。對于測量電路，每秒的微塵的典型功耗小于5 μA，對于無線電，功耗可能為40 μA，允許使用小型電池運行多年。
在小型PCB上實現(xiàn)完整的無線電流檢測電路。的物理連接是用于測量電流的香蕉插孔。無線無線電模塊如右圖所示。該電路由連接在電路板背面的兩個AAA電池供電。
結論
將凌力爾特與ADI公司的信號鏈、電源管理和無線網(wǎng)絡產(chǎn)品相結合，可以設計出真正的無線電流檢測電路。圖 3 顯示了一個實現(xiàn)示例。新型超低功率 LTC2063 斬波運放能夠準確地讀取檢測電阻器兩端的小壓降。整個電路（包括微功耗ADC和基準電壓源）隨檢測電阻的共模浮動。毫微功耗 LTC3335 開關穩(wěn)壓器可采用小型電池為電路供電多年，同時利用其內置庫侖計數(shù)器累積電池使用情況。LTP5901-IPM 無線模塊可管理整個應用，并自動連接到高度可靠的 SmartMesh IP 網(wǎng)絡。

關鍵詞：電阻器

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