Микромощные датчики тока на новом классе аналоговых микросхем

Журнал РАДИОЛОЦМАН, апрель 2013

Martin Tomasz, Sageloop Designs, США

EE Times

Усилители датчиков тока могут контролировать токи аккумуляторов или фтоэлементов, позволяя оценивать величину израсходованного заряда и оставшееся время работы. Но если аккумулятор или фотогальванический источник состоят из единственного элемента, очень непросто сделать экономичную схему для измерений при напряжении менее одного вольта. Решить эту проблему позволяет новый класс сверх микромощных микросхем, представленный операционным усилителем TS1001, потребляющим ток 0.6 мкА при напряжении питания 0.8 В, (Рисунок 1). Эта схема работоспособна при напряжении 0.8 В и в отсутствие нагрузки потребляет всего 860 нА. При измерении токов от 0 до 100 мА выходной сигнал изменяется в диапазоне от 0 до 500 мВ, хотя, пересчитав сопротивления резисторов, это соотношение несложно изменить. При такой исключительно низкой мощности потребления схема может оставаться включенной постоянно, обеспечивая непрерывный контроль тока, значение которого затем может периодически считываться микроконтроллером.

Рисунок 1.	Низковольтный усилитель датчика тока на основе сверх микромощного ОУ и низкопорогового P-канального MOSFET.

Среди прочего, схема может использоваться для оценки внутреннего сопротивления миниатюрных часовых щелочных батарей, характеризующего уровень неизрасходованного заряда. Измерение напряжения на батарее при неизвестном токе нагрузки обычно дает лишь грубое представление о степени ее разряда, а «импульсные тесты», рекомендуемые некоторыми изготовителями батарей, могут оказаться фатальными для подключенной к батарее схемы.

ОУ TS1001 вместе с P-канальным MOSFET Q1 образуют источник тока, протекающего через сопротивление R1 и компенсирующего падение напряжения на R2, вызванное током, текущим от входа к нагрузке. Сопротивление R3 преобразует ток стока Q1 в напряжение, а конденсатор C1 обеспечивает фильтрацию, необходимую для корректного измерения среднего значения тока усилителем датчика, позволяющего микроконтроллеру длительное время оставаться в режиме сна и включаться только для считывания уровня тока.

Точность схемы исключительно высока и, как правило, ограничена только точностью используемых резисторов.

Рисунок 2.	Измеренная зависимость VIL от входного тока.

Эта схема требует очень внимательного отношения к напряжению смещения усилителя. Согласно спецификации, максимальное напряжение смещения ОУ TS1001 при 25 °C составляет ±3 мВ, что соответствует ошибке измерения ±3 мА. На Рисунке 2 смещение равно приблизительно 2.5 мА. Необходимо также учитывать, что ток утечки сток-исток транзистора при 25 °C составляет несколько десятков наноампер, а в полном диапазоне рабочих температур может достигать 1 мкА. Поскольку ток Q1 эффективно стабилизируется петлей обратной связи, замкнутой через TS1001, любая утечка между стоком и истоком проявляется как дополнительная токовая «подпорка», генерирующая соответствующее падение напряжения на R3, ограничивающее минимальный уровень измеряемого тока. Поэтому используемый обычно метод исключения напряжения смещения в усилителе датчика путем вычитания напряжения V_IN, измеренного при отсутствии нагрузки, здесь работать не будет, так как влияние этого фактора невозможно отделить от влияния «подпорки».

Рисунок 3.	Сверхэкономичная схема измерения тока с коррекцией смещения операционного усилителя.

На Рисунке 3 приведена альтернативная конфигурация, позволяющая выполнять калибровку усилителя для компенсации смещения. Схема рассчитана на измерение очень маленьких токов, в данном случае, генерируемых тремя последовательно соединенными фотогальваническими элементами на основе PIN диодов. Схему можно использовать для слежения за точкой максимальной мощности в составе системы сбора энергии, где микроконтроллер, управляя нагрузкой, стремится поддерживать максимальный уровень произведения V × I для оптимизации извлекаемой мощности.

Принцип работы этой схемы аналогичен предыдущей, изображенной на Рисунке 1, но в ней добавлен переключатель, позволяющий выбирать один из двух диапазонов измерения 100 мкА или 500 мкА. Максимальное падение напряжения на измерительном резисторе R2 для повышения эффективности здесь уменьшено до 50 мВ. Однако измерения на меньшей шкале при смещении ОУ, равном ±3 мВ, теперь будут сопровождаться ошибкой в 6%, что может оказаться неприемлемым.

Это смещение можно вычислить и вычитать из последующих результатов, измерив один и тот же параметр при двух коэффициентах усиления. Тогда напряжение смещения V_OF будет равно

где V_{IL_G1} и V_{IL_G2} – напряжения, измеренные, соответственно, на меньшем и большем диапазонах, и где

В последние годы требования к мощности, потребляемой системами с микроконтроллерами, становятся все более жесткими. Появляется возможность их питания от таких источников, как одноэлементные аккумуляторы или миниатюрные фотогальванические ячейки. Микромощные аналоговые схемы, подобные описанным выше, расходуя ничтожный ток, могут оставаться включенными постоянно, предоставляя контроллеру возможность длительное время оставаться в режиме сна и включаться только для периодического контроля параметров батарей.