Здесь представлен измеритель тока без шунтирующего резистора, с динамическим диапазоном от 300 мкА до 3 А, а также простой способ расширения допустимого диапазона напряжений измерения до 6–36 В с использованием только стабилитрона, диода и MOSFET транзистора. Рассматриваются свойства микросхемы MAX40016, выполняющей эту функцию.
Измерение тока часто используется во многих электронных схемах, потому что это простой и удобный способ контролировать состояние системы. Прогрессирующая миниатюризация, все меньшее количество потребляемой энергии, делают необходимым следить за условиями эксплуатации, чтобы не повредить работу устройств. Необходимость измерения тока охватывает широкий диапазон значений, от минимальных микроампер до нескольких ампер. Высокий динамический диапазон измерения можно наблюдать в следующих случаях:
- необходимость следить за токами в спящем и активном состоянии,
- в испытательном оборудовании которое должно иметь возможность измерять как низкие, так и высокие значения, чтобы обеспечить эффективное тестирование,
- при тестировании устройств в производственной среде для выявления проблем сборки, таких как попадание флюса, короткие замыкания или обрывы пайки,
- в мониторинге состояния промышленного оборудования, измерении рассеиваемой мощности при включении и выключении, контроле нормальных рабочих токов и утечек для определения потребления во времени.
При высоком напряжении питания измерительной цепи, решением является простой в применении операционный усилитель, взаимодействующий с усилителем измерения тока (CSA), обеспечивающий высокую точность и достоверность. Измерение с соответствующим значением измерительного резистора охватывает большинство устройств и требований. Усилители CSA обеспечивают лучшую в своем классе точность и прецизионность, позволяя измерять микроамперы с хорошим отношением сигнал/шум (SNR), для высокого разрешения измерения.
Но выбор усилителя CSA для проектировщиков — непростая задача. Необходимо учитывать компромиссы, например:
- значение напряжения питания,
- минимальное измеренное значение тока, определяющее насколько малым должно быть входное неравновесное напряжение (Vos),
- максимальное значение тока, определяющее максимальное напряжение на входе (Vsense),
допустимая мощность потерь в шунте Rsense.
Диапазон допустимого перепада напряжения задается выбранным измерительным усилителем, а увеличение шунтирующего сопротивления повышает точность измерений при меньших значениях тока, но чем выше значение этого сопротивления, тем больше потери мощности при более высоких значениях измерения, что может быть неприемлемо в проекте. Диапазон измеряемых токов (I MIN – I MAX) также уменьшается.
Низкое значение Rsense является предпочтительным, поскольку оно снижает потери мощности и нагрев элемента и, следовательно, повышает точность. Оно также позволяет измерять бОльшие значения, то есть увеличивает диапазон измерения. Уменьшение значения сопротивления шунта также снижает отношение сигнал/шум SNR. Правда в этом случае смещение усилителя существенно влияет на точность измерения, поэтому часто требуется калибровка при комнатной температуре для повышения точности схемы и компенсации разбаланса напряжения.
Диапазон входного дифференциального напряжения (Vsense) также зависит от напряжения питания или значения опорного напряжения и коэффициента усиления CSA:
В любом устройстве для измерения больших токов цель разработчика состоит в том, чтобы максимизировать динамический диапазон для требуемой точности.
Отметим, что в измерительной схеме, содержащей CSA + Rsense, допуск сопротивления шунта и его температурный коэффициент обычно являются узким местом для высокой общей точности измерительной системы. Тем не менее, шунтовое измерение по-прежнему является эффективным способом контроля и измерения тока в электронных цепях благодаря своей простоте, надежности и приемлемой стоимости, по сравнению с измерителями заряда, схемами с резистором, встроенным в полупроводниковую структуру, или с использованием дифференциальной схемы на основе операционных усилителей.
Имеются коммерчески доступные резисторы с жестким допуском по температурному коэффициенту, но они намного дороже. Общая погрешность измерения в зависимости от температуры должна быть эквивалентна погрешности генерируемой Rsense, тогда такие измерения имеют смысл.
Измерительное решение без внешнего шунта
Для устройств требующих более широкого динамического диапазона измеряемых токов, от нескольких сотен микроампер до нескольких ампер, может оказаться полезной схема со встроенным датчиком тока (U1), показанная на рисунке. Это решение имеет следующие преимущества:
- встроенный измерительный элемент (значит без внешнего резистора),
- высокий динамический диапазон измерения тока,
- токовый выход обеспечивающий диапазон 0-1 VVout на нагрузке 160 Ом и совместим со всеми АЦП.
Вместо внешнего чувствительного резистора между входом Vdd и выходом LD имеется встроенный датчик, который может измерять выходной ток Iload от 100 мкА до 3,3 А. Внутренний усилитель обеспечивает направление 1/500 выходного тока к контакту ISH, а резистор 160 Ом, подключенный к этому контакту, преобразует этот ток в выходное напряжение Vish в диапазоне 0–1 В.
Падение напряжения между Vdd и LD составляет примерно 60 мВ при токе 3 А, что соответствует потере мощности всего 180 мВт. При меньших токах суммарная погрешность для диапазона измерения 100 мкА составляет порядка 10 %. За счет меньших потерь мощности при больших измеряемых токах и, в то же время, относительно небольшой погрешности измерения при малых значениях тока, данное решение конкурентоспособно в сравнении с известными методами.
Работа в расширенном диапазоне напряжений
Схема показанная ниже является расширением схемы предыдущей, но предлагает более широкий диапазон входного напряжения. Напряжение питания для U1 может быть от 6 до 36 В. Стабилитрон D1 поддерживает напряжение на Vdd, а затвор P-FET (M1) на уровне 5,6 В. Больший диапазон напряжения питания уменьшается на M1 с истоком напряжение ограничивается примерно 4 В – 4,5 В, таким образом поддерживая рабочее напряжение U1 (Vdd – Vss) в пределах допустимого диапазона. Исходное напряжение M1 затем смещает затвор M2, также типа P-FET. Источник M2 находится под потенциалом Vss (U1) + Vth (M2) гарантируя, что выход ISH U1 находится на приемлемом уровне. Токовый выход ISH и резистор R1 формируют выходной сигнал в диапазоне от 0 до 1 В относительно GND.
Таким образом микросхема MAX40016 позволяет реализовать простую схему измерения тока, работающую в динамическом диапазоне 4 декады и функционирующую в широком диапазоне питающих напряжений – до 36 В.
