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模拟乘法器提高高边电流检测的测量精度(图)
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作者：Maxim公司 Maurizio Gavardoni
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他便携仪器中实现电池充、放电电流的测量。本文讨论将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。
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口和其他电压的电流。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。在便携式消费类产品中，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，也可以用来进行电机控制和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；低边检测是在接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，由于在接地回路中引入了所不期望的阻抗，从而把地平面分割开。
图1 高边电流检测（MAX4211）
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。
这里的模拟乘法器不仅仅提供功率测量，还可提供其他用途。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～VREF的16位ADC。这里，外部稳压源提供VREF，电压范围：1.2～3.8V（该例中为 3.8V）。乘法器的输入范围是0～1V，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VREF=1V。MAX4211的增益为25，则电压测量范围为：0～150mV，输出电压（对POUT和IOUT）范围为0～3.75V（与流入负载的电流成正比）。
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VREF的函数，“VREF”比消除了基准对ADC测量精度的影响，理论上与基准电压及其精度无关。但是，如果把IOUT接ADC，基准上的任何误差都将影响到输出。
式(1）和式(2）分别给出了POUT和IOUT与ADC输入/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) 式(1)
IOUT/VREF=ILOAD×RSENSE×25/VREF 式(2)
从式(1)可以看出，由POUT输出，ADC精度将与VREF精度无关；而从IOUT输出，将产生一个与VREF成反比的误差。
图2 利用检流放大器(MAX4211)和带外部基准的ADC测量电池充电电流
图2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。另外，图2给出了提高系统精度的解决方案，从中可以看出利用模拟乘法器和检流放大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：初始误差（标称值的百分比）、VREF随负载的变化、VREF随温度的变化。
图3 对图2电路进行测试，POUT/IOUT与VREF的关系曲线，VSENSE为125mV
图3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～图6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℃变化到+85℃，以 20℃为级差(-20℃、0℃、+25℃、+45℃和+65℃)，图4曲线显示了VREF随温度变化的结果。图5给出了图2电路中IOUT、IOUT/VREF随温度的变化曲线，如果用IOUT输出驱动ADC，IOUT/VREF与ADC的输入信号/满量程信号之比成正比。
IOUT/VREF之比随温度的变化与图4为基准（VREF）受温度的影响而发生变化。
图4 图2电路中，VREF随温度的变化曲线
图5 图2电路，IOUT、IOUT/VREF随温度的变化曲线，VSENSE为100mV
图6 图2电路，POUT、POUT/VREF随温度的变化曲线，VSENSE为100mV
最后，图6给出了POUT、POUT/VREF随温度的变化曲线。从图6可以看出：POUT/VREF与VREF随温度的变化（见图4）无关。VREF在0℃和+45℃之间向下弯曲经过POUT输出后进行了补偿。因为VREF没有出现在POUT/VREF曲线，相应地，ADC的输出也不会受VREF随温度改变的影响。
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。
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