模拟乘法器提高高边电流检测的测量精度

摘要：将模拟乘法器和高边电流检测放大器相结合，能够在笔记本电脑或其它便携仪器中实现电池充、放电电流的测量。本文讨论将模/数转换器(ADC)的基准电压加到模拟乘法器的一个输入端，以提高电流测量精度的方法。

引言

在对可靠性和精确性要求非常高的应用中，大量使用了高边电流检测放大器。笔记本电脑中，它被用来监测电池的充、放电电流，也可以用来监测USB口和其它电压的电流。为了控制系统发热和电源损耗，要求降低这些电压的输出功率。在便携式消类产品中，高边电流检测放大器用来监测锂电池的充、放电电流。汽车应用中，这样的放大器不仅可以监测电池电流，也可以用来进行马达控制和GPS天线检测。在通信基站中，这样的放大器也被用来监测功率放大器的电流。

很多应用中，高边电流检测放大器能够直接与模/数转换器(ADC)相连。有一些ADC由外部基准电压决定满量程输入范围，它们的输出精度在很大程度上取决于基准电压的精度。

本文介绍了在多数应用中，如何利用一个集成了高边电流检测放大器的模拟乘法器来检测电池的充、放电电流。本设计方案通过把ADC的基准电压加到模拟乘法器的输入端，有效提高了检测精度。

高边与低边电流检测技术

高边、低边电流检测是两种通用的电流测量方法。高边检测是在电源(如电池)和负载之间放一个检流电阻；低边检测是在地回路上串联一个检流电阻，这种方法与高边检测相比有2个缺点：第一，如果负载发生意外短路，低边电流检测放大器将被旁路，不能检测短路状态；第二，由于在地回路中引入了所不期望的阻抗，从而把地平面分割开。高边电流检测也有一个缺点：电流检测放大器必需支持高共模电压输入，幅度取决于具体的电压源。高边检测主要用于电流检测放大器，而低边检测可采用简单的运算放大器，只要这个放大器能够处理以地为参考的共模输入即可。

利用高边检流放大器测量功率

图1说明了如何利用集成了模拟乘法器的高边电流检测放大器MAX4211测量供给负载的功率(定义为负载电流与电压的乘积)。高边电流检测提供与负载电流成比例的电压输出，该输出电压加到模拟乘法器，而模拟乘法器的另一个输入为负载电压。由此，乘法器输出一个与负载功率成正比的电压。


图1. 高边电流检测(MAX4211)，把负载电压和负载电流相乘，得到正比于负载功率的模拟输出电压

模拟乘法器在高边电流检测放大器中的使用

这里的模拟乘法器不仅仅提供功率测量，还可提供其它用途。如果其外部输入没有连接到负载电压，也可以把它连接到ADC的基准电压。这种情况下，乘法器将不再测量功率，而是把电流检测放大器的输出电压与ADC的基准电压相关联。

图2说明了这种用法，高边电流检测放大器测量电池的充电电流。电压输出(POUT)加到输入范围为0V至VREF的16位ADC。这里，外部稳压源提供VREF，电压范围：1.2V至3.8V (该例中为3.8V)。乘法器的输入范围是0到1V，可以把3.8V基准电压通过R1/R2分压实现。假设R2 = 1kΩ，R1 = 2.8kΩ，则VIN = 1V。MAX4211的增益为25，则电压测量范围为：0到150mV，输出电压(对POUT和IOUT)范围为0至3.75V (与流入负载的电流成正比)。


图2. 该电路利用检流放大器(MAX4211)和带外部基准的ADC，测量电池充、放电电流

图3提供了一个类似应用，ADC具有内部基准电压，这里介绍的应用是用于内置基准和外部基准ADC的情况。


图3. 该电路中，MAX4211配合内置基准的ADC测量充电及放电电流

利用电流检测放大器的POUT作为输出，而不是IOUT，其优点是：加到ADC的信号(正比于负载电流)可以通过VREF降下来。用POUT作为输出，降低了对基准电压精度的要求，因为ADC的数字输出取决于输入电压与基准电压(代表满量程值)的比。因为POUT是基准电压的函数，因此消除了基准对ADC测量精度的影响，理论上与基准电压及其精度无关。

如果把IOUT接ADC，则基准上的任何误差都将影响到输出。以下两个公式分别给出了ADC输入与ADC满量程范围的比值，由此解释了上述结论：

POUT/VREF = ILOAD × RSENSE × 25 × VREF × R2/(R1 + R2)/VREF = ILOAD × RSENSE × 25 × R2/(R1 + R2)	[Eq. 1]
IOUT/VREF = ILOAD × RSENSE × 25/VREF	[Eq. 2]

式1采用POUT输出，ADC精度将与VREF精度无关；式2采用IOUT输出，将产生一个与VREF成反比的误差。

图2和图3的整体精度取决于很多因素：电阻精度、放大器增益误差、电压失调、偏置电流、基准电压的精度、ADC误差以及上述参数的温漂。图2和图3给出了提高系统精度的解决方案，利用MAX4211模拟乘法器可以消除误差源之一—基准电压误差。

VREF的精度至少与以下三个因素有关：

1. 初始误差(标称值的百分比)
2. VREF随负载的变化
3. VREF随温度的变化

图4描述了上述第2个误差源，随着VREF负载的提高，VREF输出从3.8V降到1.2V。POUT将随着VREF变化，变化规律与之相同。


图4. VREF随负载的变化曲线，这里给出的是POUT/IOUT随VREF的变化，VSENSE = 125mV

图5、图6和图7给出了VCC = 5V、VSENSE保持固定100mV时，VREF和MAX4211输出随温度的变化。图2电路的工作温度从-40°C变化到+85°C，以20°C为级差(-20°C、0°C、+25°C、+45°C和+65°C)，图5曲线显示了VIN随温度变化的结果(即VREF在整个温度范围内的温漂)。


图5. VIN随温度的变化曲线

图6给出了MAX4211的IOUT、IOUT/VIN随温度的变化曲线，与ADC的输入信号/满量程信号之比成正比(如果用IOUT输出驱动ADC)。


图6. IOUT、IOUT/VIN随温度的变化曲线，VSENSE = 100mV

IOUT/VREF之比随温度的变化与图5所示VIN随温度的变化曲线有关。图5中，VIN在0°C和+45°C之间向下弯曲，对应于图6 IOUT/VIN在相同温度范围的凸起部分。这样，ADC的测量值会因为基准(VREF)受温度的影响而发生变化。

最后，图7给出了MAX4211的POUT、POUT/VIN随温度的变化曲线。从中可以看出：POUT/VIN与ADC输入信号/满量程比成正比关系。

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图7. POUT、POUT/VREF随温度的变化曲线，VSENSE = 100mV

从图7可以看出，POUT/VIN与VIN随温度的变化无关。VIN在0°C到+45°C之间向下弯曲经过POUT输出后进行了“补偿”，因为VIN没有出现在POUT/VIN曲线，相应地，ADC的输出也不会受VREF随温度改变的影响。

图8给出了IOUT/VIN和POUT/VIN与其相应的理想线性特性的差异。


图8. POUT/VIN、IOUT/VIN随温度的变化曲线，VSENSE = 100mV

结论

集成了模拟乘法器的高边电流检测放大器通常用来测量负载功率。不过，这种集成乘法器也可以提供另一种功能。电流检测放大器可以连接内置或外置基准的ADC。两种情况下，整体测量精度主要与基准电压(VREF)的精度有关。如果把负载电流与基准电压VREF相乘后输出到ADC，将可以消除基准电压的误差。采用这种设计，即使是使用低成本、低精度的基准电压，也可以提高负载电流的测量精度。