实用的电流测量解决方案

【中心议题】

•        *指出了现代电子系统电流测量方法的问题
•        *提出了现代电子系统

【解决方案】

•        *利用电流监测器测量LED电流值
•        *经放大后匹配参考电压

许多现代电子系统要求采用某种形式的电流测量方法来改善系统的功耗、效率和可靠性，这些系统包括了LED驱动、便携式设备和各种体积的供电电源等。

为了尽可能提高大功率LED的使用寿命，需要对LED电流进行精确调节。大多数调节器是采用参考电压为2.5V或1.25V的电压调节器，这些调节器可以实现高性能调整，但遗憾的是，当可编程电压调节器用作电流调节器时，电流检测电阻上的压降会造成很大的功率损失，因为电阻上的压降与参考电压相等。

对于3W的LED来说，不管采用线性调节器还是开关调节器，在电流检测电阻上都会消耗额外的2.5W功率，因此会造成很大程度的自体发热，即使最好情况下效率也只能达到50%，这对任何DC-DC转换器解决方案都会造成很大影响。

图1给出了针对上述问题的简单高效的解决方案。利用电流监测器测量LED电流值，经放大后匹配参考电压，这样就可减少电流检测电阻上的压降(一般小于100mV)，因此可以大幅节省功率。

当使用开关调节器时，在LED的高压侧使用电流监测器测量LED的电流，同样可以提高系统的整体性能。这种检测方法不再以地为参考，因而减少了对噪声的易感性。采用电流监测器的高压侧电流测量方法带来的另外一个好处是能用于降压(buck)、升压(boost)以及boost-buck配置中。

图1：LED电流调节器。

电源过流检测

为了提高可靠性，许多电源产品采用了某种形式的供电轨过流保护/检测电路。对单路输出而言，电流可以在地侧测量，但这样做存在干扰地平面的缺点。通过在电压轨(rail)上测量电流可以克服这个问题，而且能够测量多个轨。

图2对传统配置和采用电流监测器的配置进行了比较。电流监测器专门用于测量以高压侧为参考的电流，可以从被监测的电压轨处获取偏置信号。这意味着它们不需要单独的电源管脚，并且只需要两个电阻，因而可以显著减少PCB面积和器件数量，而且能提供比通用运放更高的性能。

图2：过流感应电路。

许多新型器件已经集成了参考源和比较器，可提供完整的过流保护解决方案。如图3所示的集成方案将放大器、参考源和晶体管整合在一个器件中，不仅节省了PCB面积，而且不会对地平面造成干扰。

图3：过流保护电路。

便携式设备的电池电量估计

越来越多的便携式设备需要高效的电池电量估计方法，通过先进的系统电源管理延长使用时间。

传统的电池电量测量方法大多通过电池电压的测量提供简单的电量估计，因为电池电量的下降会导致电池电压的下降。然而这种方法在许多应用中被证明是不够理想的，因为电池单元的电压在单元放电期间会不断变化，并且高度依赖于单元温度、放电率以及单元充电时的温度。

只使用电池电压作为电池容量的测量依据会使事情变得更糟，因为当负载电流急剧增加时会导致电池有效内阻上产生额外的压降，从而导致错误的低压测量结果。例如，具有红外、蓝牙以及相机功能的手机在全部功能开启时会导致电池监测电路误给出低电量告警，并导致系统关闭部分电路以期延长电池使用时间。

在高放电率(从600mAHr单元释放1200mA)情况下，电池电量会小于标称值的20%，但其放电曲线要比低放电率时更平滑。这种现象极大地限制了剩余电量测量精度，也即意味着使用相同电压对于低电池标志以及所有温度和放电率而言，会产生很大误差。

通过测量放电电流可以提高电池容量测量精度，从而使剩余电量的估计具有可计算性，可更准确地显示剩余电量，同时系统也能无差错的关闭未使用的部分电路以延长电池寿命。

测量放电电流的另外一个好处是可以保护电池免受过大放电电流的冲击，这种冲击会缩短电池寿命，甚至损坏电池。

笔记本电脑的电池通常使用专用的气体压力芯片来测试电池寿命，但在许多对成本敏感的小型设备中，这些芯片太过昂贵，而且功耗很大。用于手机等小型便携式设备，简单的解决方案是使用微功耗运放或电流监测器，并通过小的串联电阻测量放电电流。这些电路通常会和用于测量电池电压和温度的电源管理系统一起使用，因此无需额外昂贵的器件，也不会增加PCB面积。

微功耗电流监测器非常适于这些应用，因为它们能与一个或多个锂离子/聚合体单元协同工作，而不会干扰地线连接，并且可以从被监测的电压轨中获得电能。电流监测器需要使用一个额外的电阻来设置其增益，这样就为在多个系统中使用一个元件匹配所要求的动态范围提供了一个简单途径。图4中需要增加的器件是电流监测器、低阻值串联电流检测电阻和增益设置电阻。

图4：具有成本效益的微功率电量监测电路。

综上所述，电流监测器为电流测量提供了一种简单高效的解决方案。通过增加一个串联小电阻就能实现电流测量，而且该电阻负载上的压降和功耗都非常小。在大多数应用中这种方案不仅可以提高系统性能，而且可以减小整体尺寸。