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从信号链到电源管理,给你一个完整的无线电流检测电路

2018-01-31 [责任编辑:wenwei]
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【导读】测量流经检测电阻的电流似乎很简单——放大电压,用ADC读取,就可以知道电流是多少;但如果检测电阻上的电压与系统地电压相差很远,检测就会变得比较困难,这时,典型的解决方案是在模拟域或数字域消弭该电压差。但今天在这里,我们将介绍一种不同的解决方法——无线。
 
Why?
 
模拟电流检测IC是紧凑型解决方案,但其可承受的电压差受限于半导体工艺。很难找到额定电压超过100V的器件。如果检测电阻共模电压迅速变化或在系统地电压上下摆动,这些电路便无法精确测量。
 
数字隔离技术(磁或光学)体积有点大,但能以高精度工作,并且通常可以承受数千伏电压。这些电路需要隔离电源,但有时可以将它集成在隔离器中。如果检测电阻与主系统在物理上隔开,那么可能还要使用长导线或电缆。
 
NOTE
 
无线电流检测电路克服了上述诸多限制。让整个电路随同检测电阻的共模电压浮空,并在空中无线传输测量数据,电压限制也就无从谈起。检测电阻可以位于任何地方,无需布置电缆。如果电路功耗非常低,那么甚至不需要隔离电源,一个小电池便能让它运行多年。
 
设计概览
 
图1显示了设计的框图。该电流检测电路基于斩波稳定运算放大器LTC2063,其用来放大检测电阻上的压降。微功耗SAR ADC AD7988将值数字化,并通过一个SPI接口报告结果。LTP5901-IPM是无线电模块,不仅包含无线电,而且含有自动形成IP网格网络所需的组网固件。
 
从信号链到电源管理,给你一个完整的无线电流检测电路
图1. 低功耗无线电流检测电路由一个低功耗斩波运算放大器(用以放大检测电压)组成,利用低功耗ADC和基准电压源进行数字化处理,连接到SmartMesh IP无线电模块。电池输出到低功耗DC-DC转换器得到恒定电源,同时记录从电池获取的电荷。
 
此外,LTP5901-IPM内置微处理器以读取AD7988 ADC SPI端口。LTC3335是一款低功耗DC-DC电源,其将电池电压转换为恒定输出电压。LTC3335还含有库仑计,用以报告从电池获取的累计电荷。
 
信号链
 
LTC2063是一款超低功耗斩波稳定运算放大器,其最大电源电流为2μA,特别适合电池供电应用。失调电压小于10 μV,因此它可以测量非常小的压降而不会丧失精度。
 
图2显示LTC2063配置用来放大10 mΩ检测电阻上的电压并进行电平转换。选择适当的增益,使检测电阻的±10 mV满量程输入(对应于±1 A电流)映射到接近输出端的满量程范围,其以1.5 V为中心。这一放大信号被输入至16位SAR ADC。选择AD7988是因为其极低的待机电流和良好的直流精度。采样速率较低时,ADC在两次转换之间自动关断,1 kSPS时的平均功耗低至10 μA。LT6656用于偏置放大器、电平转换电阻和ADC基准输入。LT6656 基准电压源功耗小于1 μA,可驱动高达 5 mA负载,压差很低,因此即使采用3.3 V系统电源供电,它也很容易输出精密3 V电压。
 
从信号链到电源管理,给你一个完整的无线电流检测电路
图2. 电流检测电路随同检测电阻电压浮空。斩波运算放大器LTC2063放大检测电压,把它偏置到AD7988 ADC的中间轨。LT6656-3提供精密3 V基准电压源。
 
此信号链中有三个大致相等的失调误差源,相对于±10 mV满量程输入,它们共同贡献大约0.5%的误差。这包括LTC2063和AD7988的失调电压,以及电平转换电阻的不匹配(推荐使用0.1%电阻)。单点校准可在很大程度上消除该失调。增益误差一般以可用检测电阻的不精确性为主,它往往比LT6656基准电压源的0.05%、10 ppm/°C规格还要差。
 
电源管理
 
LTC3335是一款集成库仑计的纳安功耗降压-升压转换器。它配置用来从1.8 V到5.5 V的输入电源产生3.3 V稳压输出。这使得该电路可以利用两节碱性原电池的电源供电。对于占空比型无线应用,负载电流的变化范围很容易达到1 μA至20 mA,取决于无线电是处于工作模式还是睡眠模式。LTC3335在空载时的静态功耗仅680 nA,因此当无线电和信号链处于睡眠模式时,整个电路的运行功耗非常低。
 
另外,LTC3335可以输出多达50 mA的电流,在无线电发射/接收期间可轻松提供足够的功率,故适合各种信号链电路。LTC3335还内置一个库仑计,非常方便。切换时,它会记录从电池获取的总电荷。此信息可通过I2C接口读出,用来预测何时需要更换电池。
 
无线组网
 
LTP5901-IPM是一个完整的无线电模块,包括无线电收发器、嵌入式微处理器和SmartMesh IP组网软件。LTP5901-IPM在本应用中执行两个功能:无线组网和管理(进程)。当网络管理器附近有多个SmartMesh IP终端上电时,这些终端会自动识别彼此,形成一个无线网格网络。整个网络自动进行时间同步,这意味着每台无线电仅在非常短的特定时间间隔内上电。因此,各节点不仅是传感器信息源,而且充当路由节点,用以将数据从其他节点传递到管理器。这样就形成一个高可靠性、低功耗网格网络,从各节点到管理器有多条路径可走,不过所有节点(包括路由节点)的工作功耗都非常低。
 
LTP5901-IPM包括一个运行组网软件的ARM? Cortex?M3微处理器内核。此外,用户可以写入应用固件以完成特定于用户应用的任务。在本例中,LTP5901-IPM内部的微处理器读取电流测量ADC(AD7988)的SPI端口和库仑计(LTC3335)的I2C端口。微处理器还能将斩波运算放大器(LTC2063)置于关断模式,使其功耗从2 μA进一步降低至200 nA。在测量间隔时间极长的使用场合中,这可以节省更多功耗。
 
总功耗
 
完整应用电路的总功耗取决于多种因素,包括信号链多长时间获取一次读数、节点在网络中如何配置等等。对于一个每秒报告一次的终端,测量电路的典型功耗低于5 μA,无线电的典型功耗可能为40 μA,很小的电池即可让它工作数年。
 
结论
 
Linear Technology和ADI信号链、电源管理、无线组网产品的结合,使得我们可以设计真正的无线电流检测电路。图3显示了一个实现示例。
 
从信号链到电源管理,给你一个完整的无线电流检测电路
图3. 在小型PCB上实现的一个完整无线电流检测电路。唯一的物理连接是待测电流的香蕉插座。无线电模块如右图所示。电路由连接到板背面的两节AAA电池供电
 
新型超低功耗斩波运算放大器LTC2063可以精确读取检测电阻上的小压降。包括微功耗ADC和基准电压源在内的整个电路随同检测电阻的共模电压浮空。只要一个小电池,纳安功耗LTC3335开关稳压器便可为该电路供电数年之久,同时利用内置库仑计报告电池累计使用率。LTP5901-IPM无线模块管理整个应用,自动连接到一个高可靠性SmartMesh IP网络。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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关键字:信号链 电源管理 无线 电流检测电路 
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