如何以毫微功率预算实现精密测量

 在本系列文章的第一部分，我们讨论了直流增益中偏移电压(VOS)和偏移电压漂移(TCVOS)的结构，以及如何选择具有理想精确度的毫微功耗运算放大器(op amp)，从而使放大后低频信号路径中误差最小化。在第二部分中，我们将回顾电流感应的一些基础知识，并介绍如何在提供精确读数的同时，利用运算放大器来实现系统功耗最小化。

电流感应

设计者通过将一个非常小的“分流”电阻串联在负载上，在两者之间设置一个电流感应放大器或运算放大器，实现用于系统保护和监测的电流感应。虽然专用的电流感应放大器能够发挥十分出色的电流感应作用，但如果特别注重功耗的情况下，精密的毫微功耗运算放大器则是理想的选择。

有两个位置可以根据负载放置分流电阻：负载与电源之间(图1)，或者负载与接地之间(图2)。

图1：高侧电流感应

图2：低侧电流感应

在这两种情况下，为了利用已知阻值的电阻来感应电流，通过运算放大器来测量分流电阻两端的电压。运用欧姆定律(公式1)，可以确定电流消耗：

其中 V 表示电压，I 表示电流，R 表示电阻。

选择分流电阻和运算放大器，这样它们对电路的性能影响最小。在选择电阻时，根据以下两个条件选用低值电阻：

尽量将电阻两端的压降保持在低水平，使负载的负极在低侧感应时尽可能靠近接地，或者在高侧感应时尽可能靠近电源。

保持低功耗。从公式2可以看出，由于你要测量的是电流，因此它是一个自变量，所以电阻应尽可能小：

这里要说明一点：由于你要测量电流而不是让电流最小化(如我再第一部分中所做的)，所以你必须将电阻值最小化，才能让功耗最小化—这与DC增益配置中功耗管理的思路相反。

超低功耗电流测量技术广泛应用于移动电源、手机等终端设备的电池充电和监测，也可以用于保证工业物联网应用的正常运行。

那么在选择电阻值时，可以压到多低呢?简单地说，电阻两端的压降应当大于你所用运算放大器的偏移电压。

示例

假设你要进行低侧差动电流测量(图3)，以确保系统中不存在短路和开路。为了简易起见，本示例选用简单的数字，忽略诸如电阻容差之类的参数。

图3：低侧差动电流测量

电源电压为3.3V。在正确操作的情况下，系统得出最大电流值为10mA;你不想要有效接地，使负载高于100µV。你首先要明白一点，分流电阻的压降(由于电流)必须小于或等于100µV。

如果你使用公式3来确定最大分流电阻：

则有效接地为100µV，如公式4所示：

您必须选用运算放大器，它能够检测到这种压降的变化，表明是否存在故障。由于系统处于正常工作状态时，负载电流在其典型值±10%范围内。当电流变化至少10%时，运算放大器就可以检测出感应电阻两端的电压变化。

如果存在故障(如：开路，低电流导致的欠压，高电流导致的短路或掉电)，公式5表示电流的变化(IΔ)：

公式6计算出VSHUNT压降的变化：

在这个例子中，我会选择LPV821零漂移毫微功耗放大器。其零漂移技术可实现仅10µV的最大偏移电压，从而检测到故障情况。零漂移运算放大器是高精度(<100µV)测量的理想选择。此外，LPV821也是一种毫微功耗放大器，你可以让它一直处于开启状态，持续准确地感测电流，对系统功率预算的影响很小。