微功率零漂移运算放大器支持无线电流检测

引言

许多电流检测电路遵循相同的简单方法：在检测电阻器的两端产生一个电压降：放大该电压，用一个 ADC 读取它，然后就知道电流的大小了。但是，如果检测电阻器所处的电压与系统地迥然不同，那么事情会很快变得复杂起来。典型解决方案可消除模拟或数字域中的电压差。不过，这里有一种不同的方法，即采用无线方式。

高压侧电流检测放大器在模拟域运行。这些 IC 是紧凑的，但是它们能够承受的电压差受到半导体工艺的限制。额定值超过 100V 的器件很稀有。而且，如果检测电阻器的共模电压快速变化或在高于和低于系统地之间摆动，那么这类电路的准确度常常会下降。

磁性或光隔离器常常破坏数字域的隔离势垒。硬件可能更笨重一些，但工作时不损失准确度，一般可承受数千伏电压。这类电路需要一个隔离型电源，但是这种电源有时可以集成到隔离器组件中。如果检测电阻器物理上是与主系统分隔开的，那么也许还需要使用很长的导线或电缆。

最近出现的低功率信号调理和无线技术提供了一种新方法。通过允许整个电路随着检测电阻器的共模电压浮置，并通过空中无线发送所测得的数据，电压限制就不存在了。检测电阻器可以放置在任何地方，无需使用电缆。如果电路的功率非常低，那么甚至不需要隔离型电源，用一块小型电池就可运行很多年。

无线电流检测

图 1 所示电流检测电路利用 LTC2063 斩波器稳定型运算放大器，以放大检测电阻器两端的压降。微功率 SAR ADC AD7988 使压降值数字化，并通过 SPI 接口报告结果。LTP5901-IPM 是无线模块，可自动与附近的其他节点形成一个基于 IP 的网格网络。该器件还有一个内置微处理器，以读取 AD7988 ADC SPI 端口。LTC3335 是一款毫微功率降压-升压型稳压器，将电池电压转换成恒定输出电压。LTC3335 还包括一个库伦计数器，以报告累计从电池抽取的电量。

图 1：一个低功率无线电流检测电路，由一个放大检测电压的低功率斩波器型运算放大器构成，用一个低功率 ADC 和基准进行数字化，并连至一个 SmartMesh IP™ 无线模块。一个低功率 DC/DC 转换器调理电池，并跟踪从电池吸取的电量。

微功率零漂移运算放大器

为了最大限度减少检测电阻器中产生的热量，压降一般限制到 10mV 至 100mV。测量这个范围的电压需要输入电路具很低的失调误差，例如零漂移运算放大器。LTC2063 是一款超低功率、斩波器稳定型运算放大器，最大电源电流为 2µA。由于失调电压低于 10µV，所以该器件可以测量非常小的压降而不会损失准确度。图 2示出了把 LTC2063 配置为对一个 10mΩ 检测电阻器两端的电压进行放大和电平移位的情形。选择合适的增益以使检测电阻器上的 ±10mV 全标度电压 (对应于 ±1A 电流) 映射到输出端上一个接近全标度范围 (以中间电源为中心)。这个已放大信号馈送到 16 位 SAR ADC 中。之所以选择 AD7988，是因为其非常低的备用电流和良好的 DC 准确度。在低采样率时，ADC 在转换之间自动停机，从而使 1ksps 时的平均电流消耗低至 10µA。LT6656 电压基准消耗不到 1µA 电流，并偏置放大器、电平移位电阻器和 ADC 的基准输入。

图 2：电流检测电路随检测电阻器电压浮动。LTC2063 斩波运放放大检测电压并对其施加用于 AD7988 ADC 的中间电源轨偏置。LT6656-3 提供精准的 3V 基准。

工业强度的无线网格

LTP5901-IPM 等 SmartMesh 无线模块包括无线电收发器、嵌入式微处理器和网络软件。当多个 SmartMesh 节点在某个网络管理器的附近上电时，这些节点自动地相互识别确认并形成一个无线网格网络。一个网络中的所有节点自动地实现时间同步，这意味着每个无线电收发器仅在非常短暂的特定时间间隔期间上电。因此，每个节点能够充当一个传感器信息源，以及一个用于把数据从其他节点向管理器转发的路由节点。这创建了一个高度可靠的低功率网格网络，在该网络中，从每个节点至管理器提供了多条通路，尽管所有的节点 (包括路由节点) 均依靠非常低的功率工作。

LTP5901-IPM 包括一个 ARM Cortex-M3 微处理器内核，该内核运行网络软件。此外，用户可以编写应用固件，以执行特定于用户应用的任务。在本例中，LTP5901-IPM 中的微处理器读取电流测量 ADC (AD7988) 的 SPI 端口，并读取库伦计数器 (LTC3335) 的 I2C 端口。该微处理器还可以将斩波器运算放大器 (LTC2063) 置于停机模式，从而进一步将其电流消耗从 2µA 降至 200nA。这在两次测量之间时间间隔极长的使用模式下，进一步节省了功率。

毫微功率库伦计数器

对测量电路而言，一个节点每秒报告一次的典型功耗低于 5µA，而无线电收发器的功耗可能达到 40µA。实际上，功耗取决于各种因素，例如信号链路多长时间获取一次读数，以及节点在网络中是怎样配置的。

本文举例的电路是用两节碱性主电池供电的。电池输入电压由集成了库伦计数器的 LTC3335 毫微功率降压-升压型转换器调节。该转换器可从一个 1.8V 至 5.5V 输入电源提供一个稳定的 3.3V 输出。视无线电收发器是处于工作模式还是休眠模式而不同，占空比型无线应用的负载电流可能在 1µA 至 20mA 之间变化。LTC3335 在无负载时静态电流仅为 680nA，当无线电收发器和信号链路处于休眠模式时，这使整个电路保持了非常低的功率。另外，LTC3335 还可输出高达 50mA 电流，这在无线电发送 / 接受时以及为各种信号链路电路提供了足够的功率。

在高可靠性无线传感器应用中，用光电池电量是绝对不可接受的。同时，太频繁地更换电池会导致不希望发生的费用和宕机。结果是，需要能够准确测量电池电量消耗的电路。LTC3335 有一个内置库伦计数器。无论何时，该稳压器只要接通，就会跟踪从电池吸取的总电量。这个信息可以用 I2C 接口读出，然后可以用来预测电池更换时间。

总结

凌力尔特和 ADI 的信号链路、电源管理以及无线网络产品相结合，可实现真正的无线电流检测电路设计。图 3 显示了一个实例。新的超低功率 LTC2063 斩波器型运算放大器可准确读出检测电阻器两端很小的压降。包括微功率 ADC 和电压基准在内的整个电路随检测电阻器的共模电压而浮置。毫微功率 LTC3335 转换器可用一个小型电池连续多年给电路供电，同时利用其内置库伦计数器报告累计的电池电量使用情况。LTP5901-IPM 无线模块管理整个应用，并自动连接到一个高度可靠的 SmartMesh IP 网络。

图 3：在一块小型电路板上实现的一个完整的无线电流检测电路。惟一的物理连接是用于测量电流的香蕉插口。无线模块显示在右侧。该电路用连接到电路板背面的两节 AAA 电池供电。