高可靠性系统中电流检测的实际考虑

摘要：电流检测最简单的方法是依据欧姆定律：电阻两端的压降和流过电阻的电流成正比。本文讨论了基于电阻的电流检测在实际设计中的问题，列举了一些典型实例，如：电流保护、热插拔控制、电量测量及故障保护。

高边电流检测的基本原理

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)或其它外部电路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路的性能。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。

电流监测器及保护电路

高可靠性供电电路通常具有短路或过载保护(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，短路保护电路将关闭p沟道MOSFET并断开负载。

电池充电器及其它应用中，必须防护短路时的过流以及开路时的欠流情况。出于这一考虑，我们设计了图2b，图中电流窗检测器与图2a电路相似，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路输出，可以连接到一起，也可以单独输出。当检测电流超出规定范围时，IC将向系统发出故障报警。


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

热插拔控制器

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路，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，具有软启动功能，可以将浪涌电流降到安全范围内。系统发生故障时(过载或短路)，热插拔控制器能够断开板卡与系统其它电路的连接。


图3. MAX5933热插拔控制器保护电源总线不受浪涌电流及短路故障的影响

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、拔电路板卡，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限制流入负载的电流。内部电路环慢增大监测电流，可避免较大的浪涌电流。

检流电阻还设置了电流限，如果FB输入检测到短路故障，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，出现短路时，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，保护电源总线。热插拔控制器还具有其它诸多功能，如：欠压保护、过压保护、过热保护等。

电量测量和电池管理

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，通过精确监视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，通过监视流入/流出电池包的电荷，跟踪充电/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，用于监视、监控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，跟踪累计充电、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，则认为其电量释放完毕(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，电量计为用户指示剩余电量的信息。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监视电流防止过载和短路，出现短路时立即关闭MOSFET，断开电池的连接。

动态供电控制

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。手机位置距离基站较近时，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；当手机位置距离基站较远时，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路，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)环路，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。

先进功率检测

笔记本电脑的电池电压随着电池放电而改变，因此，监视功率要比监视电流更安全，效果更好。功率监视器包括电流检测电路(电压输出)和一个模拟乘法器。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法器的一个输入端，另一个乘法器的输入连接到负载电压的分压网络(由于模拟乘法器的输入范围有限，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保护，避免电池在出现短路或功率过大时损坏。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-输入施加一个高电平，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-输入施加一个高电平，将断路器复位。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。

结论

基于欧姆定律的电流检测器可以广泛用于电源保护、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。