今天在各個(gè)層次上對(duì)能量效率的需求,使電流成為一項(xiàng)快速增長(zhǎng)的測(cè)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(lái)最佳地實(shí)現(xiàn)對(duì)主電路影響最小的技術(shù)。
【要點(diǎn)】庫(kù)侖計(jì)數(shù)器適用于移動(dòng)充電器；高端測(cè)量可保證精度與安全；差分放大器把小檢測(cè)電壓歸因于接地；檢測(cè)FET可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)在線測(cè)量；霍爾效應(yīng)傳感器測(cè)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(cè)量成為每一位設(shè)計(jì)人員的熱門(mén)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(lái)增長(zhǎng)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(guó)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(chē)電源調(diào)整、消費(fèi)電子直至工業(yè)過(guò)程控制等。在上述各種情況下,具備電流測(cè)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(lái)的這個(gè)市場(chǎng)中,家庭能量計(jì)將測(cè)量電流與電壓的能力以低成本的方式合并在一個(gè)互相矛盾的環(huán)境中（參見(jiàn)附文“電表要求采用電子測(cè)量”）
　　無(wú)論功率水平如何,測(cè)量必須總是能與ADC之類(lèi)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(cè)量不過(guò)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(cè)量 ——尤其在與交流電源隔離成為一個(gè)問(wèn)題的情況下。但在深入研究交流電源測(cè)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(jiǎn)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(zhǎng)期以來(lái)一直采用功率測(cè)量來(lái)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(chē)充電電路——在商品汽車(chē)中變得日益罕見(jiàn)。雖然每輛汽車(chē)都用伏特計(jì)和安培計(jì)來(lái)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(lèi)比在汽車(chē)消費(fèi)電子領(lǐng)域變得比以往更加重要。
　　盡管大量汽車(chē)電子設(shè)備都用電池終端電壓測(cè)量來(lái)得出至下一個(gè)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(cè)量來(lái)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(huì)選擇禁用閃光燈。另外, 電池電壓測(cè)量為電池容量的一種粗略近似,它會(huì)在電池使用過(guò)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(kù)侖計(jì)算技術(shù)日益受到了人們的寵愛(ài)。這里,電流與電壓用來(lái)監(jiān)視定時(shí)器在充、放電過(guò)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(méi)有機(jī)會(huì)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(lái)測(cè)量電池放電,誤差信號(hào)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(kù)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(zhuān)用電池能量監(jiān)測(cè)器IC。像Atmel公司的新型ATmega406芯片,即在微控制器的周?chē)才帕朔€(wěn)壓器與支持電路（包括用于電池充電的FET驅(qū)動(dòng)器和用于電流與電壓監(jiān)視的兩個(gè)ADC）,以構(gòu)建一個(gè)用于鋰離子電池組充電器的自主控制器。配上通過(guò)5mΩ電流旁路而獲得0.67mA分辨率的18位庫(kù)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(shì)。

　　保護(hù)測(cè)量精度
　　幾乎無(wú)一例外,監(jiān)視與控制電路都需要有將測(cè)量值歸于系統(tǒng)接地的接口,這給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了這樣一個(gè)老問(wèn)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(dòng)圈直流安培計(jì)的傳統(tǒng)低端檢測(cè)技術(shù),是在電源返回路徑中插入一個(gè)電流檢測(cè)電阻器并測(cè)量其上產(chǎn)生的電壓。這種安排還具有將測(cè)量值參考至高壓交流電路中的中性電位上的優(yōu)勢(shì),從而能避免高共模電壓并簡(jiǎn)化瞬態(tài)保護(hù)——盡管不能檢測(cè)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(hào)接地與電路接地相連,且對(duì)于所有其他電路來(lái)說(shuō),使檢測(cè)電阻器動(dòng)態(tài)電位浮動(dòng)會(huì)在多個(gè)電路間造成偏差。此外,這種安排還難以給單個(gè)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(gè)可處理共模電壓（包括接地）的儀表放大器來(lái)將檢測(cè)電壓提升至合適的水平。

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