在本設(shè)計(jì)方案中，介紹了MAX40080（精密、快速采樣速率、數(shù)字檢流放大器）的主要特性，并結(jié)合它們?yōu)楦餍懈鳂I(yè)的實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)的好處。具體而言，該設(shè)計(jì)解決方案描述了快速的內(nèi)部ADC采樣速率、器件的智能模式以節(jié)省功耗，以及可減小失調(diào)誤差的可編程輸入范圍。

介紹

數(shù)字電流檢測(cè)放大器（CSA）在過(guò)去幾年中在廣泛的應(yīng)用中變得非常流行。除了測(cè)量電流外，數(shù)字CSA還使用測(cè)量電壓，使用內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化，并以數(shù)字格式報(bào)告數(shù)據(jù)，通常為I2C 或 SPI。一些CSA還計(jì)算功率作為電流和電壓的數(shù)字乘法。

與傳統(tǒng)的模擬輸出CSA相比，其優(yōu)勢(shì)顯著。首先，有些系統(tǒng)必須在不同點(diǎn)測(cè)量電流，并將所有這些測(cè)量值連接到一個(gè)公共的電流。2C 或 SPI 總線在微控制器 （MCU） 上保存多個(gè) GPIO 引腳。數(shù)字CSA還可以將ADC保存在MCU內(nèi)部，使其釋放出來(lái)用于測(cè)量系統(tǒng)電流和/或電壓以外的目的。最后，電流測(cè)量通常發(fā)生在系統(tǒng)中物理上遠(yuǎn)離MCU的點(diǎn)。在這種情況下，傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)比檢測(cè)遠(yuǎn)距離模擬電流或電壓更可靠且抗噪聲。

快速采樣率可準(zhǔn)確監(jiān)控電流浪涌

市場(chǎng)上的大多數(shù)數(shù)字CSA都集成了低采樣速率和低帶寬的ADC，通常分別在低千采樣率（ksps）和千赫茲（kHz）范圍內(nèi)。這使得它們適用于電流不經(jīng)常變化的應(yīng)用。但是，如果電流突然變化，系統(tǒng)監(jiān)控將錯(cuò)過(guò)它。相比之下，MAX40080集成了13位ADC，可編程采樣速率可高達(dá)1Msps。

以下是兩個(gè)實(shí)際應(yīng)用示例，其中快速采樣率提供了顯著的優(yōu)勢(shì)。

在第一個(gè)例子中，快速采樣率數(shù)字CSA測(cè)量快速電流浪涌并優(yōu)化大型處理器的系統(tǒng)性能。它監(jiān)控功耗，以最大限度地提高具有多個(gè) CPU、內(nèi)存、GPU 等的系統(tǒng)的性能。它通過(guò)監(jiān)控電流浪涌并快速采取行動(dòng)來(lái)觀察系統(tǒng)中哪些模塊最耗電。

在第二個(gè)示例中，快速采樣率數(shù)字CSA可實(shí)現(xiàn)鋰離子電池的安全快速充電。在充電過(guò)程中，金屬鋰（鋰枝晶）（1）在負(fù)極上形成，最終成為電池故障的來(lái)源。為了防止樹(shù)突形成，電池充電器使用一系列電流脈沖而不是固定的穩(wěn)定電流?？焖俨蓸勇蕯?shù)字CSA能夠精確測(cè)量這些電流脈沖。

MAX40080電流測(cè)量具有高達(dá)50kHz的信號(hào)帶寬。當(dāng)采樣速率高達(dá)1Msps時(shí)，可以使用集成的移動(dòng)平均數(shù)字濾波器對(duì)電流和電壓測(cè)量進(jìn)行過(guò)采樣并提高其精度。這種濾波器可通過(guò) I 進(jìn)行編程2C 命令寄存器，它們的范圍從平均 8 個(gè)樣本到 128 個(gè)樣本，中間的步進(jìn)增量為 x2（8、16、32、64 和 128 個(gè)樣本之間的平均值）。平均過(guò)程降低了本底噪聲并提高精度。（2）

智能模式可實(shí)現(xiàn)顯著的節(jié)能效果

MAX40080具有快速采樣速率和高性能，當(dāng)器件完全工作時(shí)，需要2.7mA的電源電流。與往常一樣，速度和性能是以功耗為代價(jià)的。然而，該器件提供智能模式，可有效降低功耗，使MAX40080甚至適用于平板電腦、智能手機(jī)和筆記本電腦/筆記本電腦等便攜式消費(fèi)類應(yīng)用。

首先，有一個(gè)I2C 可編程喚醒電流門限。MAX40080編程為低功耗模式，電流消耗僅為52μA。在這種模式下，除了每50ms進(jìn)行一次短暫?jiǎn)拘岩赃M(jìn)行一次電流測(cè)量并將其與喚醒閾值進(jìn)行比較外，大多數(shù)功能都進(jìn)入睡眠狀態(tài)。如果此類測(cè)量低于喚醒閾值，器件將保持低功耗模式。只有當(dāng)測(cè)量值高于閾值時(shí)，設(shè)備才會(huì)自動(dòng)切換到所有功能都處于活動(dòng)狀態(tài)的活動(dòng)模式。這種智能模式在只關(guān)心監(jiān)控系統(tǒng)中不需要的過(guò)流情況的應(yīng)用中非常有用。在這種情況下，喚醒門限可以設(shè)置為略低于過(guò)流門限，從而節(jié)省大量系統(tǒng)功耗。當(dāng)電流超過(guò)喚醒門限時(shí)，器件進(jìn)入活動(dòng)模式，當(dāng)超過(guò)過(guò)流門限時(shí)，MAX40080將在ALERT_輸出端產(chǎn)生中斷報(bào)警。

其次，I 上存在內(nèi)部超時(shí)2C，如果長(zhǎng)達(dá)一分鐘沒(méi)有收到主機(jī)命令，MAX40080將自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)模式，功耗降至2.7μA。

最后，MAX40080具有四種額外的工作模式，稱為“選擇性有源模式”，工作在固定的低采樣速率（4sps至1/4sps），功耗極低。該器件可以編程為在預(yù)計(jì)不會(huì)產(chǎn)生快速電流浪涌的時(shí)段進(jìn)入這些模式。例如，在夜間的數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)中。請(qǐng)注意，即使在這些“選定的活動(dòng)模式”下，過(guò)流閾值和報(bào)警生成仍然有效。如果發(fā)生過(guò)流情況，仍會(huì)被檢測(cè)到，但不會(huì)像器件處于正常活動(dòng)模式且采樣速率快那樣快。

圖1.MAX40080智能模式最大限度地降低了功耗。

可編程輸入范圍和極低失調(diào)提高了系統(tǒng)精度

在需要測(cè)量?jī)蓚€(gè)不同電流電平的應(yīng)用中，最低電平的精度通常會(huì)受到影響，因?yàn)樗艿?a target="_blank">電流檢測(cè)放大器和隨后ADC失調(diào)電壓的限制。

一個(gè)實(shí)際的例子是使用集成BLE的MCU的物聯(lián)網(wǎng)傳感器系統(tǒng)，其中MCU定期喚醒，進(jìn)行一次測(cè)量并以無(wú)線方式傳輸。當(dāng)MCU處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)電流在幾十毫安的范圍內(nèi)，但是當(dāng)MCU休眠時(shí)，系統(tǒng)電流下降到微安范圍內(nèi)。由于這兩個(gè)電平相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)，睡眠電流測(cè)量受到失調(diào)限制。

MAX40080具有±10mV或±50mV的可編程輸入范圍，可通過(guò)I選擇。2C 端口。在內(nèi)部，這些范圍分別對(duì)應(yīng)于125V/V和25V/V增益選項(xiàng)。這兩個(gè)增益選項(xiàng)提供了測(cè)量大電流和小電流的靈活性，同時(shí)通過(guò)降低ADC失調(diào)誤差來(lái)保持系統(tǒng)精度。事實(shí)上，由于采用了兩種增益選項(xiàng)，大電流和小電流都可以接近ADC滿量程范圍，從而使ADC失調(diào)誤差可以忽略不計(jì)。

MAX40080的失調(diào)電壓貢獻(xiàn)已經(jīng)很低，在25°C時(shí)最大電壓僅為25μV，因此可以使用小電阻值，從而降低功耗。

結(jié)論

MAX40080數(shù)字CSA是一款多功能器件，在廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用中占有一席之地。數(shù)字輸出具有比模擬輸出更高的抗擾度，并允許在同一數(shù)字總線上連接多個(gè)電流檢測(cè)器件。這釋放了MCU上的GPIO引腳，也釋放了ADC通道。

由于具有快速采樣速率，MAX40080可以測(cè)量電流浪涌和快速瞬變，例如具有強(qiáng)大處理器的計(jì)算系統(tǒng)和電池充電器中的電流浪涌和瞬變。同時(shí)，它還具有智能模式，可降低功耗，并使該設(shè)備對(duì)智能手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦等電池供電系統(tǒng)具有吸引力?？删幊梯斎敕秶蜆O低的電壓失調(diào)提高了大電流和小電流測(cè)量的精度。

審核編輯：郭婷