为高可靠性系统提供先进的电流检测技术

技术分类: 测试与测量  电源技术  | 2005-11-09
Ken Yang、Senior Member

  热管理和电磁感应可用于监视和测量电流,但最简单的电流测量方法是根据欧姆定律,用测量电压的方法获得电流值。这种简单的电流测量方法被广泛用于电流监视、热插拔控制器、电量计和故障保护电路。另外,它还解决了许多其他实际问题。

  基本的高边电流检测放大器
  基于电阻的电流检测方案很简单,而且成本较低,可以获得较高的线性指标,不需要校准。电阻两端的电压与流过它的电流成正比,但需注意电阻的功耗问题,因为功耗产生热量,反过来会影响电阻的阻值。较大的检流电阻能够获得较高的测量精度,但消耗的功率也越大:P = I2R,其中I为检测电流、R为检流电阻的阻值。为了减小“焦耳热量”,应选择尽可能小的检流电阻。选择小的检流电阻能够得到的电阻电压幅度较低,这是需要采用放大器对其进行放大,以便与比较器、ADC或其它外部电路连接。低检测电压容易受放大器偏置电流、输入失调电压的影响,导致测量误差。例如,对于50mV到200mV的满量程检测电压范围,如果放大器的最大输入失调电压为±5mV,则在50mV(满量程)产生的测量误差会达到±10%,电流更小时误差会更大。

于欧姆定律的高边电流检测器

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p;                                             图1,基于欧姆定律的高边电流检测器
  检流放大器必须具有低输入失调电压和低输入偏置电流,图1所示是一款专用的检流放大器,检流电阻放置在电源(如:电池)与负载之间。为了避免接地层电阻的影响,这种连接方式可以简化电路板布局,改善电路的整体性能。运算放大器检测检流电阻(RSENSE)的电压并驱动MOSFET通过R吸入电流,R两端的电压等于检流电阻上的电压:
  KISENSERSENSE = IOR   
  IO = KISENSE(RSENSE/R)
  VO = KISENSE(RSENSE/R)RO
  检测器输出电流与负载电流成正比,电流镜提供的输出电流放大系数为K。如果需要电压输出,利用输出电阻(RO)将电流转换成电压即可。电阻R和RO可以方便地由工厂设置,提供低于1%的电流测量精度。

  电流监视与保护
  大功率供电电源通常需要短路保护或过载保护(图2a),MAX4373电流检测器集成了电压基准、比较器和锁存电路。R1、R2用于设置电流检测门限,比较器对电流检测器的输出和基准电压进行比较。当负载电流超出所允许的最大值时,比较器输出断开P沟道MOSFET开关,禁止电流流入负载。在复位或重新上电之前,P-MOSFET始终保持断开状态。电池充电器及其它应用电路需要提供过流(短路)和欠流(开路)保护,图2b窗检测器利用第二个比较器监视欠流情况,两个比较器为漏极开路输出,可以连接在一起提供“线或”输出,也可以选择独立的输出。当检测电流超出窗口检测范围时产生故障报警输出。

当IC检测到过载故障时,短路保护电路将关闭p沟道MOSEFET、断开负载连接

图2a,当IC检测到过载故障时,短路保护电路将关闭p沟道MOSEFET、断开负载连接

电流窗检测电路,检测开路、短路故障。

图2b,电流窗检测电路,检测开路、短路故障。

  热插拔控制器
  热插拔控制器是一种特殊的电流检测器,通常用于系统卡(如:服务器的I/O卡),允许板卡在系统运行过程中安全插入或拔出,不会中断系统其余电路的工作。如果没有热插拔控制器,插入或拔出板卡时会造成系统电源的短路,破坏系统的运转。另外,由于板上电容在插入时快速充电,浪涌电流会导致系统电源电压跌落到正常电压的门限以下。图3所示热插拔控制器正是针对上述问题设计的,其软启动功能能够将浪涌电流限制在安全水平,发生故障时(过载或短路),控制器隔离板卡与系统其余电路的连接。

热插拔控制器(MAX5933A)保护电源,使其免受浪涌电流和断路故障的冲击

              图3,热插拔控制器(MAX5933A)保护电源,使其免受浪涌电流和断路故障的冲击
  MAX5933A在启动过程中如同一个电流调节器,通过外部检流电阻和MOSFET限制负载电流。内部电路控制电流缓慢上升,避免大的浪涌电流。检流电阻用来设置电流限,如果FB输入检测到短路故障,控制器把电流限降低3.9倍,例如,如果选择25mΩ的检流电阻,正常情况下电流限为1.88A,

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