高可靠性系统中电流检测的实际考虑图2014年8月16日星期六

　　基于电阻的电流检测比较简单，易于使用而且成本较低，这种方法可以提供极高的线性度，无需校准。根据欧姆定律：电阻电压与流过电阻的电流成正比：V = IR。但是，当电流流过电阻时，所有的电阻都有功率损耗，损耗功率转换成热量还会影响电阻值。因此，必须仔细评估检测电阻的功率损耗。

　　检流电阻较大时精度较高，但功率损耗也更大：

　　其中I为检测电流，R为检测电阻。检测电流的幅值由实际应用决定，而非设计参数。因此，检测电阻值必须尽可能小，以降低热量。

　　选择较小的检流电阻，相应地检测电压也会减小。需要借助放大器将其放大到能与比较器、模/数转换器(ADC)或其它外部电连接相一致的电压值。此外较小的检测电压容易受测量误差的影响，包括内部偏置电流、放大器输入失调电压等。比如：实际应用中，检测电压的整个范围为50mV到200mV。如果放大器的最大输入失调电压为±5mV，则在50mV (满量程)情况下对应的测量误差达到±10%，而且对于电流更小的情况还会更糟。

　　图1. 根据欧姆定律测量电流的高边电流检测器

　　电流检测放大器要求具有低输入失调电压和低输入偏置电流。专用的电流检测放大器(图1)在电源(比如电池)和负载之间放置检流电阻，这种方法避免了地层较大电阻的影响，大大简化了布板过程并提高了整个电的性能。流过检流电阻(RSENSE)的电流在电阻两端产生压降，由运算放大器检测后并驱动MOSFET管吸收电流，电流流过电阻R，R上的压降等于检测电阻两端的电压：

　　因此：

　　检测器输出电流与负载电流成正比，一般而言，可以通过镜像电流乘以一个系数K来提高输出电流。如果需要电压输出，在电流输出和地之间加上输出电阻(RO)即可将电流转换为电压。电阻R和RO可很容易地在生产中调理，达到优于1%的精度。

　　高可靠性供电电通常具有短或过载(图2a)，图中所示IC (MAX4373电流检测器)集成了基准源、比较器和锁存器，R1、R2用于设置电流门限。比较器将电流检测器的输出电压与基准电压相比较。当负载电流达到所允许的最大值时，比较器输出锁定为逻辑高，将p沟道MOSFET关断，断开流入负载的电流。产生复位或重新上电之前，p沟道MOSFET将始终保持关断状态。

　　图2a. IC检测到过载时，短电将关闭p沟道MOSFET并断开负载。

　　电池充电器及其它应用中，必须防护短时的过流以及开时的欠流情况。出于这一考虑，我们设计了图2b，图中电流窗检测器与图2a电相似，但多了一个用于监测欠流情况的比较器。两个比较器为漏极开输出，可以连接到一起，也可以单独输出。当检测电流超出范围时，IC将向系统发出故障报警。

　　图2b. 电流窗检测电(包括R1-R4，比较器和基准源)，检测开/短故障。

　　热插拔控制器是专用的一种电流检测器，用于系统板卡，如：服务器中的I/O卡。允许系统运行过程中带电插、拔板卡，而不会中断系统运行。如果没有热插拔控制器，带电插拔操作将会造成系统电源短，中止系统工作。并且，没有热插拔控制器时，带电插入板卡很容易造成电容的迅速充电，所产生的浪涌电流会使系统电源电压被瞬间拉低。

　　热插拔控制器(图3)可以有效解决上述问题，具有软启能，可以将浪涌电流降到安全范围内。系统发生故障时(过载或短)，热插拔控制器能够断开板卡与系统其它电的连接。

　　图3. MAX5933热插拔控制器电源总线不受浪涌电流及短故障的影响

　　作为一个应用实例，MAX5933A系列热插拔控制器允许带电主板上插、拔电板卡，不会对主板电源造成干扰。启动过程中，控制器相当于电流调节器，通过外部检流电阻和MOSFET流入负载的电流。内部电环慢增测电流，可避免较大的浪涌电流。

　　检流电阻还设置了电流限，如果FB输入检测到短故障，IC会降低电流限，减小3.9倍。比如，选择检流电阻为25mΩ，标准工作模式下电流门限设置为1.88A，出现短时，门限会降到480mA。热插拔控制器一般都包含定时器，如果在指定时间内电流没有降低，则断开MOSFET，电源总线。热插拔控制器还具有其它诸多功能，如：欠压、过压、过热等。

　　图1所示电流检测放大器是一款非常简单、通用的器件。电量计、电池管理等特殊应用需要集成更多的功能，如图4所示。电量计在电池供电产品中应用很普遍，通过精确电池容量可以优化系统性能，延长电池的使用寿命。

　　图4. 电量计，如MAX1660，通过流入/流出电池包的电荷，充电/放电电流。

　　膝上型电脑的电池包一般集成有一个智能电量计，用于、电池的充电和放电过程。这种电量计带有一个数字库仑计数器，累计充电、放电电量。对于一个特定电池，当其接受了一定电量时认为其充满电(以库伦量表示)；当从电池取走一定的电量时，则认为其电量完毕(完全放电)。电流对时间的积分等于总电荷量，利用检流放大器测量电池电流，库仑计数器充当积分器，计算充电、放电过程的总电量。

　　电量计中的电流检测器要求能够测量双向电流，为电池包充电时，最大电量由用户设置。库伦计数器达到所设置的门限时，认为电池已充满，通知微控制器终止充电。同样，放电过程中，电量计为用户剩余电量的信息。当库伦计数器达到器最小值门限时，通知微控制器电池电量已空，可避免电池过度放电。这样，库仑计数器可防止电池出现过充电和过放电，从而延长电池的有效使用周期。

　　电流检测器还通过连续电流防止过载和短，出现短时立即关闭MOSFET，断开电池的连接。

　　为了降低电池功耗、延长电池的通话时间，手机中的功率放大器(PA)需要精确控制其电源电流。手机距离基站较近时，不需要大的发射功率，可以降低PA的电源电流并仍可保持良好的信号传输；当手机距离基站较远时，发送器需要较高的输出功率和较大的电源电流。根据实际需求动态调节PA的电源电流可降低功耗，延长通话时间。

　　与图1类似，MAX4473 PA电流控制器(图5)集成了一个误差放大器和闭环控制电，工作原理类似于电流源。误差放大器(A3)比较、检测电阻RSENSE和RG1的电压，并将其输出送入功率放大器的增益控制(GC)环，通过增大、减小PA的增益和输出功率调节电源电流。电压-电流转换器由A2、Q1组成，RG3控制RG1的压降，用户还可以通过PC输入控制PA的电源电流：

　　图5. 电流控制器(MAX4473)动态调节电源电流，在保持良好的信号完整性的同时使功耗降至最小。

　　笔记本电脑的电池电压随着电池放电而改变，因此，功率要比电流更安全，效果更好。功率器包括电流检测电(电压输出)和一个模拟乘。高边电流检测器提供与负载电流成正比的输出电压，该电压与负载电压相乘，可以获得与负载功率成正比的输出电压。

　　MAX4210功率检测IC是针对笔记本电脑电池监测设计的，其共模电压范围(4V至28V)能够满足各种电池的电压要求。为了检测电流，需要在电源(电池)与负载之间插入一个检流电阻。检流放大器将与负载电流成正比的电压送入模拟乘的一个输入端，另一个乘的输入连接到负载电压的分压网络(由于模拟乘的输入范围有限，1.1V，必须降低输出电压的幅度。) 最终产生与负载功率成正比的输出。

　　图6所示固态功率检测器能够为电池提供有效，避免电池在出现短或功率过大时损坏。当MAX4211检测到故障状态时，将断开p沟道MOSFET (M1)，按下复位按钮或在CIN2-输入一个高电平，或重新上电，可以解除MOSFET的关闭状态。比较器(R3-R4-C1)外接一个RC网络，以避免上电过程中由于电压的瞬态变化而导致错误的故障检测。

　　图6. 固态功率检测器在系统出现过大功率时断开负载。按下复位键或在CIN2-输入一个高电平，将断器复位。如果上电过程中出现瞬态电压，INHIBIT输入临时将比较器的COUT1屏蔽掉，防止误报警。

　　基于欧姆定律的电流检测器可以广泛用于电源、电池电量监测、动态供电控制等应用。新型IC集成了实现低成本、高性能、全硅电流监测系统的绝大多数元件。经过工厂调理的IC能够达到1%的测量精度，可有效改善系统的性能指标，提供系统的可靠性和安全性。