帶檢測(cè)電阻器的無線電流檢測(cè)電路浮動(dòng)

測(cè)量流過檢測(cè)電阻的電流似乎很容易。放大電壓，用ADC讀取，現(xiàn)在您知道電流是多少了。但是，如果檢測(cè)電阻位于與系統(tǒng)地非常不同的電壓上，則會(huì)變得更加困難。橋接該電壓的典型解決方案在模擬域或數(shù)字域中有所不同。但這里有一種不同的方法 — 無線。

模擬電流檢測(cè)IC是緊湊型解決方案。但是，它們可以承受的電壓差受到半導(dǎo)體工藝的限制。很難找到額定電壓超過100 V的器件，如果檢測(cè)電阻的共模電壓變化迅速或系統(tǒng)地電位以上和以下擺動(dòng)，這些電路通常會(huì)失去精度。

數(shù)字隔離技術(shù)（磁性或光學(xué)）體積更大，但工作時(shí)不會(huì)降低精度，通常可以承受數(shù)千伏的電壓。這些電路需要一個(gè)隔離電源，但有時(shí)可以集成在隔離器組件中。如果檢測(cè)電阻與主系統(tǒng)在物理上是分開的，則可能還需要鋪設(shè)長(zhǎng)電線或電纜。

無線電流檢測(cè)電路克服了許多這些限制。通過允許整個(gè)電路隨檢測(cè)電阻的共模浮動(dòng)，并通過無線方式傳輸測(cè)量數(shù)據(jù)，完全沒有電壓限制。檢測(cè)電阻可以位于任何地方，無需鋪設(shè)電纜。如果電路的功耗非常低，那么您甚至不需要隔離電源，而是可以使用小電池運(yùn)行多年。

設(shè)計(jì)概述

圖1顯示了該設(shè)計(jì)的框圖。電流檢測(cè)電路基于 LTC2063 斬波穩(wěn)定運(yùn)放，以放大一個(gè)檢測(cè)電阻器兩端的壓降。微功耗SAR ADC AD7988對(duì)數(shù)值進(jìn)行數(shù)字化處理，并通過SPI接口報(bào)告結(jié)果。LTP5901-IPM 是一款無線電模塊，它不僅包含無線電，還包含自動(dòng)形成基于 IP 的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)所需的網(wǎng)絡(luò)固件。此外，LTP5901-IPM 還內(nèi)置一個(gè)微處理器，用于讀取 AD7988 ADC SPI 端口。LTC?3335 是一款低功率、DC-DC 電源，可將電池電壓轉(zhuǎn)換為一個(gè)恒定輸出電壓。LTC3335 還包括一個(gè)庫(kù)侖計(jì)數(shù)器，用于報(bào)告從電池抽取的累積電荷。

圖1.低功耗、無線電流檢測(cè)電路由低功耗斬波運(yùn)算放大器組成，以放大檢測(cè)電壓。它使用低功耗ADC和基準(zhǔn)電壓源進(jìn)行數(shù)字化，并連接到SmartMesh IP無線電模塊。低功耗DC-DC轉(zhuǎn)換器可調(diào)節(jié)電池，并跟蹤從電池汲取的電荷。

信號(hào)鏈

LTC?2063 是一款超低功率、斬波穩(wěn)定型運(yùn)放。該器件的最大電源電流為 2 μA，特別適合電池供電應(yīng)用。由于失調(diào)電壓小于10 μV，因此可以測(cè)量非常小的壓降，而不會(huì)降低精度。圖2顯示LTC2063配置為在10 mΩ檢測(cè)電阻上對(duì)電壓進(jìn)行增益和電平轉(zhuǎn)換。選擇增益時(shí)，檢測(cè)電阻的±10 mV滿量程輸入（相當(dāng)于±1 A電流）映射到輸出端的近滿量程范圍，以1.5 V為中心。該放大信號(hào)被饋入16位SAR ADC。選擇AD7988是因?yàn)樗哂袠O低的待機(jī)電流和良好的直流精度。在低采樣速率下，ADC在兩次轉(zhuǎn)換之間自動(dòng)關(guān)斷，在10 kSPS時(shí)平均電流消耗僅為1 μA。LT6656 對(duì)放大器、電平轉(zhuǎn)換電阻器和 ADC 的基準(zhǔn)輸入進(jìn)行偏置。LT6656基準(zhǔn)電壓源功耗不到1 μA，能夠以低壓差驅(qū)動(dòng)高達(dá)5 mA的負(fù)載，因此即使采用3.3 V系統(tǒng)電源供電，也可以輕松輸出精確的3 V電壓。

該信號(hào)鏈中有三個(gè)大致相等的失調(diào)誤差源，相對(duì)于±0 mV滿量程輸入，共貢獻(xiàn)約5.10%。它們是LTC2063和AD7988的失調(diào)電壓，以及電平轉(zhuǎn)換電阻中的失配（建議使用0.1%電阻）。單點(diǎn)校準(zhǔn)步驟可以在很大程度上消除這種偏移。增益誤差通常由可用檢測(cè)電阻的不準(zhǔn)確性決定，其精度往往低于LT0基準(zhǔn)電壓源的05.10%、6656 ppm/°C規(guī)格。

圖2.電流檢測(cè)電路隨檢測(cè)電阻電壓浮動(dòng)。LTC2063斬波運(yùn)算放大器放大檢測(cè)電壓并將其偏置至AD7988 ADC的中間電源軌。LT6656-3提供精密3 V基準(zhǔn)電壓源。

電源管理

LTC?3335 是一款具有集成庫(kù)侖計(jì)數(shù)器的毫微功耗降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器。該器件配置為從3.3 V至1.8 V輸入電源提供5.5 V穩(wěn)壓輸出。這允許電路由兩個(gè)堿性原電池供電。對(duì)于占空比無線應(yīng)用，負(fù)載電流很容易在1 μA至20 mA范圍內(nèi)變化，具體取決于無線電是處于活動(dòng)模式還是睡眠模式。LTC3335在空載時(shí)的靜態(tài)電流僅為680 nA，當(dāng)無線電和信號(hào)鏈處于休眠模式時(shí)，可使整個(gè)電路以非常低的功率工作。盡管如此，LTC3335仍可輸出高達(dá)50 mA的電流，從而在無線電發(fā)送/接收期間以及為各種信號(hào)鏈電路輕松提供足夠的功率。

LTC3335 還具有一個(gè)方便的內(nèi)置庫(kù)侖計(jì)數(shù)器。切換時(shí)，它會(huì)跟蹤從電池中吸取的總電量?？梢允褂?I 讀取此信息2C 接口，然后可以用作何時(shí)更換電池的預(yù)測(cè)因子。

無線網(wǎng)絡(luò)

LTP5901-IPM 是一款完整的無線模塊，包括無線電收發(fā)器、嵌入式微處理器和 SmartMesh IP 網(wǎng)絡(luò)軟件。LTP5901-IPM 在此應(yīng)用中執(zhí)行兩種功能：無線網(wǎng)絡(luò)和內(nèi)務(wù)管理功能 （過程）。當(dāng)多個(gè) SmartMesh IP 微塵在網(wǎng)絡(luò)管理器附近通電時(shí)，這些微塵會(huì)自動(dòng)相互識(shí)別并形成無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)進(jìn)行時(shí)間同步，這意味著每個(gè)無線電僅在非常短的特定時(shí)間間隔內(nèi)通電。因此，每個(gè)節(jié)點(diǎn)不僅可以用作傳感器信息源，還可以用作路由節(jié)點(diǎn)，將數(shù)據(jù)從其他節(jié)點(diǎn)中繼到管理器。這創(chuàng)建了一個(gè)高度可靠的低功耗網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，其中從每個(gè)節(jié)點(diǎn)到管理器的多條路徑可用，即使所有節(jié)點(diǎn)（包括路由節(jié)點(diǎn)）都以非常低的功耗運(yùn)行。

LTP5901-IPM 包括一個(gè)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)軟件的 ARM Cortex-M3 微處理器內(nèi)核。此外，用戶可以編寫應(yīng)用程序固件來執(zhí)行特定于用戶應(yīng)用程序的任務(wù)。在本例中，LTP5901-IPM 內(nèi)部的微處理器讀取電流測(cè)量 ADC （AD7988） 的 SPI 端口并讀取 I??2庫(kù)侖計(jì)數(shù)器 （LTC3335） 的 C 端口。微處理器還可以將斬波運(yùn)算放大器（LTC2063）置于關(guān)斷模式，從而進(jìn)一步將其電流消耗從2 μA降至200 nA。這為測(cè)量間隔極長(zhǎng)的使用型號(hào)提供了額外的節(jié)能效果。

總功耗

整個(gè)應(yīng)用電路的總功耗取決于各種因素，包括信號(hào)鏈讀取的頻率以及節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的配置方式。對(duì)于測(cè)量電路，每秒報(bào)告一次的微塵的典型功耗小于5 μA，對(duì)于無線電，功耗可能為40 μA，允許使用小型電池運(yùn)行多年。

圖3.在小型PCB上實(shí)現(xiàn)完整的無線電流檢測(cè)電路。唯一的物理連接是用于測(cè)量電流的香蕉插孔。無線無線電模塊如右圖所示。該電路由連接在電路板背面的兩個(gè)AAA電池供電。

結(jié)論

將凌力爾特與ADI公司的信號(hào)鏈、電源管理和無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品相結(jié)合，可以設(shè)計(jì)出真正的無線電流檢測(cè)電路。圖 3 顯示了一個(gè)實(shí)現(xiàn)示例。新型超低功率 LTC2063 斬波運(yùn)放能夠準(zhǔn)確地讀取檢測(cè)電阻器兩端的小壓降。整個(gè)電路（包括微功耗ADC和基準(zhǔn)電壓源）隨檢測(cè)電阻的共模浮動(dòng)。毫微功耗 LTC3335 開關(guān)穩(wěn)壓器可采用小型電池為電路供電多年，同時(shí)利用其內(nèi)置庫(kù)侖計(jì)數(shù)器報(bào)告累積電池使用情況。LTP5901-IPM 無線模塊可管理整個(gè)應(yīng)用，并自動(dòng)連接到高度可靠的 SmartMesh IP 網(wǎng)絡(luò)。

審核編輯：郭婷