如何在毫微功耗预算下进行精确测量，第 2 部分：使用毫微功耗运算放大器进行电流检测
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1.前言
在这个由两部分组成的系列的第一部分中，我讨论了直流增益中的失调电压 (V OS ) 和失调电压漂移 (TCV OS ) 机制，以及如何选择具有合适电平的纳级功率运算放大器(op amp)精度以最大限度地减少放大的低频信号的信号路径中的误差。在第二部分中，我将回顾电流检测的一些基础知识，并展示我们可以使用运算放大器帮助最大限度降低系统功耗同时仍提供准确读数的方法。
2.电流感应
设计人员通过将一个非常小的“分流”电阻与相关负载串联，在其两端连接一个电流检测放大器或运算放大器，从而执行用于系统保护和监控的电流检测。专用电流检测放大器在检测电流方面非常出色，但在功耗最重要的情况下，精密纳米功率运算放大器是一个不错的选择。
我们可以在两个位置相对于负载放置分流电阻器：负载和电源之间（图 1），或负载和地之间（图 2）。
1：高端电流检测
图 2：低侧电流检测
在这两种情况下，为了检测具有已知电阻值的电流，运算放大器会测量分流电阻器端子之间的电压。使用欧姆定律（公式 1），我们可以确定电流消耗：
其中 V 是电压，I 是电流，R 是电阻。
选择分流电阻器和运算放大器，以便它们对电路行为的影响最小。在选择电阻器时，有两个因素推动了对低值电阻器的需求：
· 保持电阻两端的压降尽可能小，以便负载的负端子在低侧检测中尽可能靠近地，或在高侧检测中尽可能靠近电源。
· 保持低功耗。等式 2 表明，由于我们正在测量电流，因此它是自变量，电阻应尽可能小：
澄清一点：由于我们正在测量电流而不是试图最小化电流（就像我在本系列的第一部分中所做的那样），我们需要最小化电阻器的值以最小化功耗——这是相反的思考过程管理直流增益配置中的功耗。
超低功耗电流测量技术可用于移动电源电池充电和监控、手机电池充电和监控等终端设备，甚至可以确保工业物联网应用的正常运行。
那么，在选择电阻值时，我们能做到多低呢？简单地说，电阻两端的压降应该大于我们使用的运算放大器的失调电压。
3.低侧差分电流测量
假设我们要执行低侧差分电流测量（图 3）以确保系统中既没有短路也没有开路连接。为简单起见，让我们为本示例选择简单的数字，并忽略电阻容差等参数。
图 3：低侧差分电流测量
电源电压为 3.3V。系统正常运行时最多消耗 10mA 电流，并且我们不希望负载看到的有效接地电压高于 100µV。我们首先会意识到我们的分流电阻器的压降（由于电流）必须小于或等于 100µV。
如果我们使用公式 3 来确定最大分流电阻：
我们的有效接地将为 100µV，如公式 4 所示：
我们必须选择能够检测此压降变化的运算放大器，这表明出现了故障情况。因为当负载电流在其典型值 10mA 的 ±10% 以内时，系统处于正常工作状态。然后，当电流变化至少 10% 时，我们的运算放大器将能够检测到检测电阻器两端的电压变化。
当出现故障情况时（例如开路、低电流导致的掉电，或大电流导致的短路或掉电），公式 5 将电流变化 (I Δ ) 表示为：
公式 6 计算了 V SHUNT两端电压降的最终变化：
在这个例子中，我会选择LPV821零漂移纳米功率放大器。其零漂移技术可实现仅 10µV 的最大失调电压，使其能够检测故障状况。零漂移运算放大器非常适合高精度 (<100µV) 测量。此外，LPV821 还是一款毫微功率放大器，这意味着我们可以让它始终保持开启状态，它将继续提供准确的电流检测测量，而对系统功率预算的影响很小。希望本系列提供一些关于在直流增益和低侧电流检测应用中使用纳米功率零漂移运算放大器的好处的见解。
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