本文將介紹具有快速采樣速率的高精度數(shù)字電流檢測(cè)放大器MAX40080的關(guān)鍵特性，并指出這些關(guān)鍵特性為各種行業(yè)的實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。文中將重點(diǎn)介紹內(nèi)部ADC的快速采樣速率、可節(jié)省功耗的智能模式及可降低失調(diào)誤差的可編程輸入范圍。

簡(jiǎn)介

過(guò)去幾年中，數(shù)字電流檢測(cè)放大器(CSA)在各種應(yīng)用中越來(lái)越受歡迎。除了測(cè)量電流，數(shù)字CSA還可用于測(cè)量電壓，通過(guò)內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)對(duì)數(shù)據(jù)作數(shù)字化處理，并以數(shù)字化格式通訊數(shù)據(jù)，通常的接口為I2C或SPI。一些CSA還使用電流和電壓的數(shù)字量做乘法來(lái)計(jì)算功率。

與傳統(tǒng)的模擬輸出的CSA相比，數(shù)字CSA有著明顯的優(yōu)勢(shì)。首先，有些系統(tǒng)必須在不同的點(diǎn)測(cè)量電流，因而將所有這些測(cè)量連接到共同的I2C或SPI總線，便可在微控制器(MCU)上節(jié)省幾個(gè)GPIO引腳。此外，數(shù)字CSA還可節(jié)省MCU內(nèi)部對(duì)于ADC的使用，使其能夠用于測(cè)量系統(tǒng)電流和/或電壓以外的其他用途。最后，由于電流通常是在遠(yuǎn)離MCU的系統(tǒng)點(diǎn)上進(jìn)行測(cè)量，在此情況下，相比于檢測(cè)遠(yuǎn)距離的模擬電流或電壓，傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)更具魯棒性和抗噪能力。

快速采樣速率可精確監(jiān)控電流浪涌

市面上大部分?jǐn)?shù)字CSA集成的是低采樣速率和低帶寬的ADC，通常分別處于低kSPS和kHz范圍只適合電流不會(huì)經(jīng)常發(fā)生變化的應(yīng)用。然而，如果電流突然發(fā)生變化，系統(tǒng)監(jiān)控會(huì)難以察覺(jué)。相比之下， MAX40080集成了可編程采樣速率高達(dá)1Msps的13位ADC。

以下是兩個(gè)實(shí)際應(yīng)用示例，其中快速采樣速率具有顯著優(yōu)勢(shì)。

在第一個(gè)示例中，具有快速采樣速率的數(shù)字CSA可測(cè)量快速電流浪涌，并優(yōu)化大型處理器中的系統(tǒng)性能。對(duì)于集成了多個(gè)CPU、存儲(chǔ)器、GPU等器件的系統(tǒng)，它會(huì)監(jiān)控功耗以便盡可能提高系統(tǒng)性能。而且，它會(huì)通過(guò)監(jiān)控電流浪涌來(lái)觀察系統(tǒng)中哪些模塊最耗電并快速作出應(yīng)對(duì)。

在第二個(gè)示例中，具有快速采樣速率的數(shù)字CSA有助于鋰離子電池的安全快速充電。充電過(guò)程中，金屬鋰（鋰枝晶）(1)會(huì)在負(fù)極上逐漸形成，最終成為電池故障源。為防止鋰枝晶形成，電池充電器使用一連串的電流脈沖，而不是固定的穩(wěn)定電流。具有快速采樣速率的數(shù)字CSA可以精確測(cè)量這些電流脈沖。

MAX40080的電流測(cè)量具有高達(dá)50kHz的信號(hào)帶寬。在采樣速率高達(dá)1Msps的情況下，通過(guò)使用集成移動(dòng)平均數(shù)字濾波器，可對(duì)電流和電壓測(cè)量進(jìn)行過(guò)采樣，并提高測(cè)量精度。此類濾波器可通過(guò)I2C命令寄存器進(jìn)行編程，平均可處理8個(gè)到128個(gè)樣本，步進(jìn)增量為x2（8、16、32、64和128個(gè)樣本的平均值）。平均過(guò)程降低了本底噪聲并提高了準(zhǔn)確度。(2)

智能模式能夠顯著節(jié)省功耗

為達(dá)到快速采樣速率和高性能，當(dāng)MAX40080處于完全活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，需要2.7mA的電源電流。通常，速度和性能都以功耗為代價(jià)。然而，MAX40080提供了可有效降低功耗的智能模式，使MAX40080甚至適用于便攜式消費(fèi)電子應(yīng)用，如平板電腦、智能手機(jī)和筆記本電腦/臺(tái)式電腦。

首先，它具有I2C可編程喚醒電流閾值。MAX40080在低功耗模式下進(jìn)行編程，此時(shí)電流消耗僅為52μA。在此模式下，大多數(shù)功能都處于休眠狀態(tài)，但會(huì)每50ms進(jìn)行一次短暫?jiǎn)拘岩赃M(jìn)行一次電流測(cè)量，并將測(cè)量值與喚醒閾值進(jìn)行比較。如果測(cè)量值低于喚醒閾值，則MAX40080將保持低功耗模式。僅當(dāng)測(cè)量值高于閾值時(shí)，MAX40080才會(huì)自動(dòng)切換到所有功能處于激活狀態(tài)的活動(dòng)模式。對(duì)于主要目的是監(jiān)控系統(tǒng)中是否存在意外過(guò)流的應(yīng)用，智能模式能發(fā)揮作用。在這種情況下，可以將喚醒閾值設(shè)置為略低于過(guò)流閾值，從而顯著降低系統(tǒng)功耗。當(dāng)電流超過(guò)喚醒閾值時(shí)，MAX40080將進(jìn)入活動(dòng)模式；當(dāng)電流超過(guò)過(guò)流閾值時(shí)，MAX40080將在其ALERT_輸出上產(chǎn)生中斷報(bào)警。

其次，I2C上具有內(nèi)部超時(shí)功能，如果長(zhǎng)達(dá)1分鐘內(nèi)沒(méi)有收到主機(jī)命令，MAX40080將自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)模式，將功耗降至2.7μA。

最后，MAX40080具有四種額外的工作模式，稱為“選擇性活動(dòng)模式”，采用從4sps到1/4sps的低固定采樣速率，且功耗極低。當(dāng)預(yù)計(jì)不會(huì)出現(xiàn)快速電流浪涌時(shí)，可將MAX40080切換到這些模式。例如，數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)處于夜間時(shí)。請(qǐng)注意，即使在這些“選擇性活動(dòng)模式”下，過(guò)流閾值和報(bào)警發(fā)生器仍發(fā)揮作用。如果發(fā)生過(guò)流，仍會(huì)檢測(cè)到過(guò)流情況，但不會(huì)像MAX40080在正常活動(dòng)模式和快速采樣速率時(shí)那樣快。

圖1.MAX40080智能模式將功耗降低。

可編程輸入范圍和超低失調(diào)增強(qiáng)了系統(tǒng)精度

在需要測(cè)量?jī)蓚€(gè)不同電流電平的應(yīng)用中，最低電平的精度經(jīng)常受到影響，因?yàn)樗艿?a target="_blank">電流檢測(cè)放大器和后置ADC的失調(diào)電壓的限制。

例如，某物聯(lián)網(wǎng)傳感器系統(tǒng)使用集成BLE的MCU，MCU會(huì)定時(shí)喚醒，進(jìn)行一次測(cè)量并無(wú)線傳輸測(cè)量值。當(dāng)MCU處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)電流在幾十毫安范圍內(nèi)；而當(dāng)MCU休眠時(shí)，系統(tǒng)電流降至微安范圍內(nèi)。由于這兩個(gè)電平相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)，休眠電流測(cè)量會(huì)受到CSA失調(diào)電壓的限制。

MAX40080具有可通過(guò)I2C端口選擇的可編程輸入范圍（±10mV或±50mV），在內(nèi)部分別對(duì)應(yīng)于125V/V和25V/V增益選項(xiàng)。這兩種增益選項(xiàng)可靈活測(cè)量大小電流，同時(shí)降低了ADC失調(diào)誤差保持系統(tǒng)精度。事實(shí)上，借助這兩種增益選項(xiàng)，大電流和小電流均接近ADC滿量程范圍，使得ADC失調(diào)誤差可以忽略不計(jì)。

MAX40080的失調(diào)電壓貢獻(xiàn)本就很低，在25°C時(shí)僅為25μV（最大值），因而可使用較小的電阻值，從而降低功耗。

結(jié)論

MAX40080數(shù)字CSA是一款多功能器件，適用于各種市場(chǎng)應(yīng)用。數(shù)字輸出比模擬輸出具有更高的抗擾度，并支持在同一數(shù)字總線上連接多個(gè)電流檢測(cè)器件，從而騰出了MCU上的GPIO引腳和ADC通道。

憑借快速采樣速率，MAX40080可以測(cè)量電流浪涌和快速瞬變，比如搭載強(qiáng)大處理器的計(jì)算系統(tǒng)和電池充電器中發(fā)生的電流浪涌和快速瞬變。同時(shí)，它還具有智能模式，能夠降低功耗，因而非常適合智能手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦等電池供電系統(tǒng)。可編程輸入范圍和超低失調(diào)電壓提高了在測(cè)量大電流和小電流時(shí)的精度。

審核編輯：郭婷