今天在各個層次上對能量效率的需求,使電流成為一項(xiàng)快速增長的測量指標(biāo)。設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在能從令人眼花繚亂的各種硬件中進(jìn)行選擇,來最佳地實(shí)現(xiàn)對主電路影響最小的技術(shù)。
【要點(diǎn)】庫侖計(jì)數(shù)器適用于移動充電器；高端測量可保證精度與安全；差分放大器把小檢測電壓歸因于接地；檢測FET可實(shí)現(xiàn)動態(tài)在線測量；霍爾效應(yīng)傳感器測量交流與直流
　　從電池供電的小型輪胎氣壓傳感器到數(shù)兆瓦的風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī),今天的電子學(xué)性質(zhì)與不斷提高的能量效率要求,正在使能量測量成為每一位設(shè)計(jì)人員的熱門話題。在規(guī)模較小的低端,每一種便攜式電子設(shè)備都要求用比以往更好的電池功率管理來增長工作時(shí)間,并為用戶提供更多的特性。而在大規(guī)模的全國性供電電網(wǎng)方面,快速、精確及結(jié)實(shí)可靠的傳感器,是在不斷變化的電網(wǎng)條件下提供用于平衡發(fā)電機(jī)輸出的伺服環(huán)路反饋的基礎(chǔ)。多數(shù)應(yīng)用則處于這兩種極端應(yīng)用之間,包括汽車電源調(diào)整、消費(fèi)電子直至工業(yè)過程控制等。在上述各種情況下,具備電流測量能力是半導(dǎo)體廠商與傳感器制造商所提供的各種器件（設(shè)備）的關(guān)鍵要求。在目前已經(jīng)獨(dú)立出來的這個市場中,家庭能量計(jì)將測量電流與電壓的能力以低成本的方式合并在一個互相矛盾的環(huán)境中（參見附文“電表要求采用電子測量”）
　　無論功率水平如何,測量必須總是能與ADC之類監(jiān)控邏輯進(jìn)行接口。盡管設(shè)計(jì)人員常常認(rèn)為電壓測量不過是小菜一碟,但今天的IC與傳感器常常使得更容易進(jìn)行電流測量 ——尤其在與交流電源隔離成為一個問題的情況下。但在深入研究交流電源測量之前,由于即便有修改概念也基本相同,因此有必要討論直流應(yīng)用以及可簡化設(shè)計(jì)人員工作的各種途徑。當(dāng)然,電池供電設(shè)備長期以來一直采用功率測量來報(bào)告電路狀態(tài)。但具有諷刺意味的是,或許是機(jī)械與電氣元件所取得進(jìn)展正在使經(jīng)典案例—— 汽車充電電路——在商品汽車中變得日益罕見。雖然每輛汽車都用伏特計(jì)和安培計(jì)來告訴駕駛員哪里要出故障的日子已經(jīng)一去不復(fù)返了,但這種類比在汽車消費(fèi)電子領(lǐng)域變得比以往更加重要。
　　盡管大量汽車電子設(shè)備都用電池終端電壓測量來得出至下一個充電周期前所剩下的工作時(shí)間,但峰值負(fù)載（例如數(shù)碼相機(jī)上的閃光燈）卻要求用功率測量來管理能量資源并優(yōu)化整體設(shè)備運(yùn)行。例如,如果剩下的電量不足以使相機(jī)繼續(xù)工作的話,則微控制器可能會選擇禁用閃光燈。另外, 電池電壓測量為電池容量的一種粗略近似,它會在電池使用過程中隨電池電化學(xué)性能的下降而逐漸變差。鑒于此,一種所謂的庫侖計(jì)算技術(shù)日益受到了人們的寵愛。這里,電流與電壓用來監(jiān)視定時(shí)器在充、放電過程中的增加與減少,其滿量程值即表示電池的容量。例如在電池供電輪胎氣壓監(jiān)視系統(tǒng) (TPMS) 中,由于沒有機(jī)會給能源充電,且器件工作正常即意味著安全,因此隨著器件周期性地在待機(jī)與工作模式間轉(zhuǎn)換,監(jiān)視電路以毫微安/秒為單位來測量電池放電,誤差信號即表示剩余電量是否不足（參考文獻(xiàn)1）
　　雖然TPMS等小型設(shè)備要求使用ASIC,但庫侖計(jì)數(shù)器也容易作為ADC/定時(shí)器在商用微控制器中實(shí)現(xiàn)。而像智能電池組等更復(fù)雜的應(yīng)用,則可以使用集成了外圍功率管理功能的專用電池能量監(jiān)測器IC。像Atmel公司的新型ATmega406芯片,即在微控制器的周圍安排了穩(wěn)壓器與支持電路（包括用于電池充電的FET驅(qū)動器和用于電流與電壓監(jiān)視的兩個ADC）,以構(gòu)建一個用于鋰離子電池組充電器的自主控制器。配上通過5mΩ電流旁路而獲得0.67mA分辨率的18位庫侖計(jì)數(shù)器,該器件±30A的范圍還建議用于更廣泛的控制設(shè)備中,使這些設(shè)備能充分利用 40k字節(jié)閃存、2k字節(jié)RAM以及512k字節(jié)EEPROM的優(yōu)勢。

　　保護(hù)測量精度
　　幾乎無一例外,監(jiān)視與控制電路都需要有將測量值歸于系統(tǒng)接地的接口,這給設(shè)計(jì)人員帶來了這樣一個老問題,即如何最佳地將任意電平電壓上的電流轉(zhuǎn)換成適合現(xiàn)成邏輯的電平。在傳統(tǒng)上適合高靈敏度動圈直流安培計(jì)的傳統(tǒng)低端檢測技術(shù),是在電源返回路徑中插入一個電流檢測電阻器并測量其上產(chǎn)生的電壓。這種安排還具有將測量值參考至高壓交流電路中的中性電位上的優(yōu)勢,從而能避免高共模電壓并簡化瞬態(tài)保護(hù)——盡管不能檢測電機(jī)線圈與其外殼之間的短路。但要想與邏輯電路接口,就必須將ADC信號接地與電路接地相連,且對于所有其他電路來說,使檢測電阻器動態(tài)電位浮動會在多個電路間造成偏差。此外,這種安排還難以給單個電路（包括ADC）提供其所需的電流,并容易給接地面引入討厭的阻抗。由于ADC的輸入靈敏度遠(yuǎn)小于安培計(jì)典型75mV的滿量程電壓,故必須用一個可處理共模電壓（包括接地）的儀表放大器來將檢測電壓提升至合適的水平。

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