引言

 

許多電流檢測電路遵循相同的簡單方法：在檢測電阻器的兩端產生一個電壓降：放大該電壓，用一個 ADC 讀(du)取(qu)它(ta)，然(ran)後(hou)就(jiu)知(zhi)道(dao)電(dian)流(liu)的(de)大(da)小(xiao)了(le)。但(dan)是(shi)，如(ru)果(guo)檢(jian)測(ce)電(dian)阻(zu)器(qi)所(suo)處(chu)的(de)電(dian)壓(ya)與(yu)係(xi)統(tong)地(di)迥(jiong)然(ran)不(bu)同(tong)
，那(na)麼(me)事(shi)情(qing)會(hui)很(hen)快(kuai)變(bian)得(de)複(fu)雜(za)起(qi)來(lai)。典(dian)型(xing)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)可(ke)消(xiao)除(chu)模(mo)擬(ni)或(huo)數(shu)字(zi)域(yu)中(zhong)的(de)電(dian)壓(ya)差(cha)。不(bu)過(guo)
，這(zhe)裏(li)有(you)一(yi)種(zhong)不(bu)同(tong)的(de)方(fang)法(fa)，即(ji)采(cai)用(yong)無(wu)線(xian)方(fang)式(shi)。

 

高壓側電流檢測放大器在模擬域運行。這些 IC 是緊湊的，但是它們能夠承受的電壓差受到半導體工藝的限製。額定值超過 100V 的器件很稀有。而且
，如果檢測電阻器的共模電壓快速變化或在高於和低於係統地之間擺動，那麼這類電路的準確度常常會下降。

 

 

磁ci性xing或huo光guang隔ge離li器qi常chang常chang破po壞huai數shu字zi域yu的de隔ge離li勢shi壘lei。硬ying件jian可ke能neng更geng笨ben重zhong一yi些xie
，但dan工gong作zuo時shi不bu損sun失shi準zhun確que度du，一yi般ban可ke承cheng受shou數shu千qian伏fu電dian壓ya。這zhe類lei電dian路lu需xu要yao一yi個ge隔ge離li型xing電dian源yuan，但dan是shi這zhe種zhong電dian源yuan有you時shi可ke以yi集ji成cheng到dao隔ge離li器qi組zu件jian中zhong。如ru果guo檢jian測ce電dian阻zu器qi物wu理li上shang是shi與yu主zhu係xi統tong分fen隔ge開kai的de，那na麼me也ye許xu還hai需xu要yao使shi用yong很hen長chang的de導dao線xian或huo電dian纜lan。

 

最(zui)近(jin)出(chu)現(xian)的(de)低(di)功(gong)率(lv)信(xin)號(hao)調(tiao)理(li)和(he)無(wu)線(xian)技(ji)術(shu)提(ti)供(gong)了(le)一(yi)種(zhong)新(xin)方(fang)法(fa)。通(tong)過(guo)允(yun)許(xu)整(zheng)個(ge)電(dian)路(lu)隨(sui)著(zhe)檢(jian)測(ce)電(dian)阻(zu)器(qi)的(de)共(gong)模(mo)電(dian)壓(ya)浮(fu)置(zhi)，並(bing)通(tong)過(guo)空(kong)中(zhong)無(wu)線(xian)發(fa)送(song)所(suo)測(ce)得(de)的(de)數(shu)據(ju)
，電(dian)壓(ya)限(xian)製(zhi)就(jiu)不(bu)存(cun)在(zai)了(le)。檢(jian)測(ce)電(dian)阻(zu)器(qi)可(ke)以(yi)放(fang)置(zhi)在(zai)任(ren)何(he)地(di)方(fang)，無(wu)需(xu)使(shi)用(yong)電(dian)纜(lan)。如(ru)果(guo)電(dian)路(lu)的(de)功(gong)率(lv)非(fei)常(chang)低(di)，那(na)麼(me)甚(shen)至(zhi)不(bu)需(xu)要(yao)隔(ge)離(li)型(xing)電(dian)源(yuan)
，用(yong)一(yi)塊(kuai)小(xiao)型(xing)電(dian)池(chi)就(jiu)可(ke)運(yun)行(xing)很(hen)多(duo)年(nian)。

 

無線電流檢測

圖 1 所示電流檢測電路利用 LTC2063 斬波器穩定型運算放大器
，以放大檢測電阻器兩端的壓降。微功率 SAR ADC AD7988 使壓降值數字化，並通過 SPI 接口報告結果。 LTP5901-IPM 是無線模塊
，可自動與附近的其他節點形成一個基於 IP 的網格網絡。該器件還有一個內置微處理器，以讀取 AD7988 ADC SPI 端口。LTC3335 是一款毫微功率降壓-升壓型穩壓器，將電池電壓轉換成恒定輸出電壓。LTC3335 還包括一個庫倫計數器，以報告累計從電池抽取的電量。               

微功率零漂移運算放大器

為了最大限度減少檢測電阻器中產生的熱量，壓降一般限製到 10mV 至 100mV。測量這個範圍的電壓需要輸入電路具很低的失調誤差，例如零漂移運算放大器。LTC2063 是一款超低功率、斬波器穩定型運算放大器，最大電源電流為 2µA。由於失調電壓低於 10µV，所以該器件可以測量非常小的壓降而不會損失準確度。圖 2 示出了把 LTC2063 配置為對一個 10mΩ 檢測電阻器兩端的電壓進行放大和電平移位的情形。選擇合適的增益以使檢測電阻器上的 ±10mV 全標度電壓 (對應於±1A 電流) 映射到輸出端上一個接近全標度範圍 (以中間電源為中心)。這個已放大信號饋送到 16 位 SAR ADC 中。之所以選擇 AD7988，是因為其非常低的備用電流和良好的 DC 準確度。在低采樣率時
，ADC 在轉換之間自動停機，從而使 1ksps 時的平均電流消耗低至 10µA。LT6656 電壓基準消耗不到 1µA 電流
，並偏置放大器、電平移位電阻器和 ADC 的基準輸入。

 

圖 2：電流檢測電路隨檢測電阻器電壓浮動。LTC2063 斬波運放放大檢測電壓並對其施加用於 AD7988 ADC 的中間電源軌偏置。LT6656-3 提供精準的 3V 基準。

 

工業強度的無線網格

LTP5901-IPM 等 SmartMesh 無線模塊包括無線電收發器
、嵌入式微處理器和網絡軟件。當多個 SmartMesh 節(jie)點(dian)在(zai)某(mou)個(ge)網(wang)絡(luo)管(guan)理(li)器(qi)的(de)附(fu)近(jin)上(shang)電(dian)時(shi)

，這(zhe)些(xie)節(jie)點(dian)自(zi)動(dong)地(di)相(xiang)互(hu)識(shi)別(bie)確(que)認(ren)並(bing)形(xing)成(cheng)一(yi)個(ge)無(wu)線(xian)網(wang)格(ge)網(wang)絡(luo)。一(yi)個(ge)網(wang)絡(luo)中(zhong)的(de)所(suo)有(you)節(jie)點(dian)自(zi)動(dong)地(di)實(shi)現(xian)時(shi)間(jian)同(tong)步(bu)
，這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)每(mei)個(ge)無(wu)線(xian)電(dian)收(shou)發(fa)器(qi)僅(jin)在(zai)非(fei)常(chang)短(duan)暫(zan)的(de)特(te)定(ding)時(shi)間(jian)間(jian)隔(ge)期(qi)間(jian)上(shang)電(dian)。因(yin)此(ci)
，每(mei)個(ge)節(jie)點(dian)能(neng)夠(gou)充(chong)當(dang)一(yi)個(ge)傳(chuan)感(gan)器(qi)信(xin)息(xi)源(yuan)，以(yi)及(ji)一(yi)個(ge)用(yong)於(yu)把(ba)數(shu)據(ju)從(cong)其(qi)他(ta)節(jie)點(dian)向(xiang)管(guan)理(li)器(qi)轉(zhuan)發(fa)的(de)路(lu)由(you)節(jie)點(dian)。這(zhe)創(chuang)建(jian)了(le)一(yi)個(ge)高(gao)度(du)可(ke)靠(kao)的(de)低(di)功(gong)率(lv)網(wang)格(ge)網(wang)絡(luo)，在(zai)該(gai)網(wang)絡(luo)中(zhong)，從(cong)每(mei)個(ge)節(jie)點(dian)至(zhi)管(guan)理(li)器(qi)提(ti)供(gong)了(le)多(duo)條(tiao)通(tong)路(lu)，盡(jin)管(guan)所(suo)有(you)的(de)節(jie)點(dian) (包括路由節點) 均依靠非常低的功率工作。

 

LTP5901-IPM 包括一個 ARM Cortex-M3 微處理器內核，該內核運行網絡軟件。此外
，用戶可以編寫應用固件，以執行特定於用戶應用的任務。在本例中
，LTP5901-IPM 中的微處理器讀取電流測量 ADC (AD7988) 的 SPI 端口，並讀取庫倫計數器 (LTC3335) 的 I2C 端口。該微處理器還可以將斬波器運算放大器 (LTC2063) 置於停機模式，從而進一步將其電流消耗從 2µA 降至 200nA。這在兩次測量之間時間間隔極長的使用模式下，進一步節省了功率。

 

毫微功率庫倫計數器

對測量電路而言，一個節點每秒報告一次的典型功耗低於 5µA，而無線電收發器的功耗可能達到 40µA。實際上
，功耗取決於各種因素

，例如信號鏈路多長時間獲取一次讀數，以及節點在網絡中是怎樣配置的。

 

本文舉例的電路是用兩節堿性主電池供電的。電池輸入電壓由集成了庫倫計數器的 LTC3335 毫微功率降壓-升壓型轉換器調節。該轉換器可從一個 1.8V 至 5.5V 輸入電源提供一個穩定的 3.3V 輸出。視無線電收發器是處於工作模式還是休眠模式而不同，占空比型無線應用的負載電流可能在 1µA 至 20mA 之間變化。LTC3335 在無負載時靜態電流僅為 680nA

，當無線電收發器和信號鏈路處於休眠模式時，這使整個電路保持了非常低的功率。另外，LTC3335 還可輸出高達 50mA 電流，這在無線電發送 / 接受時以及為各種信號鏈路電路提供了足夠的功率。

 

在zai高gao可ke靠kao性xing無wu線xian傳chuan感gan器qi應ying用yong中zhong
，用yong光guang電dian池chi電dian量liang是shi絕jue對dui不bu可ke接jie受shou的de。同tong時shi，太tai頻pin繁fan地di更geng換huan電dian池chi會hui導dao致zhi不bu希xi望wang發fa生sheng的de費fei用yong和he宕dang機ji。結jie果guo是shi
，需xu要yao能neng夠gou準zhun確que測ce量liang電dian池chi電dian量liang消xiao耗hao的de電dian路lu。 LTC3335 有一個內置庫倫計數器。無論何時，該穩壓器隻要接通
，就會跟蹤從電池吸取的總電量。這個信息可以用 I2C 接口讀出，然後可以用來預測電池更換時間。

 

總結

淩力爾特和 ADI 的信號鏈路、電源管理以及無線網絡產品相結合，可實現真正的無線電流檢測電路設計。圖 3 顯示了一個實例。新的超低功率 LTC2063 斬波器型運算放大器可準確讀出檢測電阻器兩端很小的壓降。包括微功率 ADC 和電壓基準在內的整個電路隨檢測電阻器的共模電壓而浮置。毫微功率 LTC3335 轉換器可用一個小型電池連續多年給電路供電，同時利用其內置庫倫計數器報告累計的電池電量使用情況。LTP5901-IPM 無線模塊管理整個應用
，並自動連接到一個高度可靠的 SmartMesh IP 網絡。

 

圖 3：在(zai)一(yi)塊(kuai)小(xiao)型(xing)電(dian)路(lu)板(ban)上(shang)實(shi)現(xian)的(de)一(yi)個(ge)完(wan)整(zheng)的(de)無(wu)線(xian)電(dian)流(liu)檢(jian)測(ce)電(dian)路(lu)。惟(wei)一(yi)的(de)物(wu)理(li)連(lian)接(jie)是(shi)用(yong)於(yu)測(ce)量(liang)電(dian)流(liu)的(de)香(xiang)蕉(jiao)插(cha)口(kou)。無(wu)線(xian)模(mo)塊(kuai)顯(xian)示(shi)在(zai)右(you)側(ce)。該(gai)電(dian)路(lu)用(yong)連(lian)接(jie)到(dao)電(dian)路(lu)板(ban)背(bei)麵(mian)的(de)兩(liang)節(jie) AAA 電池供電。