Преобразователь тока верхнего плеча в длительность импульса

Измерение тока в положительном полюсе нагрузки используется во многих продуктах с батарейным питанием, которые требуют точного контроля тока нагрузки, тока зарядного устройства или того и другого. В приложениях для непортативных устройств контроль тока в положительном полюсе нагрузки служит сторожевым таймером источника питания, который может сигнализировать об отказе в последующих устройствах. Контроль также может исключить возникновение опасных ситуаций, предотвращая перегрузки источника питания. Кроме того, измерение тока, втекающего в схему драйвера двигателя или сервопривода из положительной шины питания, может обеспечивать обратную связь в приложениях управления. Для таких приложений требуется устройство, преобразующее ток, втекающий в нагрузку, непосредственно в цифровой сигнал (Рисунок 1). IC₁ – это недорогая микросхема токоизмерительного усилителя, которая преобразует ток в положительном полюсе нагрузки в пропорциональное напряжение, привязанное к уровню земли. На двух внутренних компараторах микросхемы (с фиксацией выходного уровня и без фиксации) реализован преобразователь напряжения в импульс, длительность которого пропорциональна измеряемому току.

Рисунок 1.	Длительность отрицательного импульса на выходе COUT1 пропорциональна току, идущему через измерительный резистор RSENSE.

Выход OUT микросхемы IC₁ заряжает конденсатор C₁ через резистор R₁. Когда напряжение на C₁ достигает 0.6 В, Компаратор 1 защелкивается в состоянии высокого импеданса. Время, необходимое для заряда C₁ до 0.6 В, пропорционально измеряемому току. Компаратор 2 вместе с выводом RESET запускает преобразование и удаляет предварительно накопленный заряд с конденсатора C₁. Соединенные вместе входы RESET и C_IN2 подключены к ТТЛ-совместимому выходу микроконтроллера, сигнал CTRL на котором инициирует преобразование. В исходном состоянии уровень напряжения на входе CTRL высокий. Микроконтроллер начинает преобразование, подав отрицательный импульс на вход CTRL, разряжающий конденсатор C₁ и очищающий защелку Компаратора 1 (уровень сигнала на выходе C_OUT1 становится низким). Теперь микроконтроллер измеряет время от фронта импульса на входе CTRL до спадающего фронта на выходе C_OUT1 (Рисунок 2). Период начинается с перехода от низкого уровня к высокому на входе CTRL и заканчивается переходом от низкого уровня к высокому на выходе C_OUT1. В зависимости от ожидаемых уровней тока, значения R₁ и C₁ выбираются такими, чтобы длительность импульса составляла десятки миллисекунд. Тогда 20 мкс, за которые устанавливается напряжение V_OUT на выводе OUT, и 4 мкс задержки распространения компаратора практически не будут оказывать влияния на точность измерения.

Рисунок 2.	Осциллограммы, иллюстрирующие работу схемы на Рисунке 1.

Чтобы получить выражение для ширины выходного импульса, начнем с соотношения для заряда RC-цепи:

Вместо V_OUT подставляем выражение

и решаем относительно I_LOAD:

где

• I_LOAD – измеряемый ток в амперах,
• V_THR = 0.6 В – порог компаратора,
• R_SENSE – сопротивление токоизмерительного резистора в омах,
• A_V – коэффициент усиления IC₁,
• T_P – время в секундах, за которое C₁ заряжается до напряжения V_THR.

Например, если выбрать R₁ = 1 МОм, C₁ = 0.1 мкФ, R_SENSE = 0.075 Ом и A_V = 20, длительность импульса T_PULSE, измеренная при токе 2 А, будет равна 0.022 с. Таким образом, с помощью порта таймера микроконтроллера, внешнего прерывания или просто доступного входа микроконтроллера, микросхемы IC₁ и двух внешних пассивных компонентов реализуется преобразование тока положительного полюса нагрузки, не требующее дискретного аналого-цифрового преобразователя.

Материалы по теме

1. Datasheet Maxim MAX4374