使用微控制器精确测量电流

介绍片上模拟CIP，以减少或消除错误

某些应用，如电力电子、安全系统和气体监测器，可能需要测量电路中流动的电流。虽然使用模数转换器（ADC）测量电压是一个简单的过程，但测量电流则不是。电流测量的复杂性增加，增加了测量误差的几率。这篇博文将讨论其中一些误差源，以及如何使用片上模拟内核独立外设（CIP）来减少或消除这些误差。

问题的范围

当大电流流动时，更容易发生测量误差。但这些错误不仅仅是电力系统所独有的。接地和信号管理不良也会影响小信号测量。如果所有误差和不精度的总和超过最低有效位（LSB）的1/2，换句话说，超过ADC每比特的分辨率，则误差将影响测量。了解潜在误差的来源可以最大限度地提高电流测量的能力。

显示问题

让我们从低侧电流测量电路的简化视图开始。当电流流过负载时，它通过检测电阻，根据欧姆定律 （V = IR） 在电阻两端产生电压。在理想情况下，测量该电路就像将ADC输入连接到该分流器一样简单。

简化电流测量电路

现在，让我们再次看一下这个图，但添加了一些常见的寄生元件。电流检测电阻不再是该电路低端的唯一电阻源。接地回路的电阻（RGND）与检测电阻串联。这种电阻通常来自印刷电路板 （PCB） 的接线、焊接连接和铜。

如图所示为具有寄生电阻的电流测量电路

如果分流电阻与RGND相比相对较大，则影响可以忽略不计。但是，如果接地回路电阻仅为分流电阻的百分之几，则会增加大量误差。例如，如果使用 1 欧姆、±1% 分流电阻器，则仅 10 毫欧的电阻就相当于电阻上的容差，将其转换为 1 欧姆、-0%、+2% 电阻。随着分流器的电阻变小，这种影响变得更加明显。为了减少这种影响，有几种方法可以补偿和纠正此错误。

减少测量误差

增加分流电阻

首先，让我们看一下增加分流器的电阻。在电源应用中，这不是最佳解决方案。随着电阻的增加，电阻消耗的功率（P =I 2R）也会增加，从而降低了效率。为了保持通过负载的相同电流量，必须增加电源所需的顺从性（电压）。

这种方法仅在某些应用和情况下才可行。

降低寄生电阻

相反的方法是降低寄生损耗。为了将损耗降至最低，电流返回路径应尽可能短，阻抗应尽可能低。免费的在线计算器和工具可以估计PCB上特定走线宽度的电阻量。

差分测量

某些微控制器 （MCU），例如 PIC18F56Q71 系列、PIC16F17146 系列、AVR® DD 系列或 ATtiny1627 系列，包含差分 ADC，可以测量两个输入之间的电压差，而不是参考 MCU 的接地。

信号的差分测量

这消除了失调，而无需对电路进行任何更改，尽管最小化寄生电阻和校准的其他方法（见下文）仍然有效，如果可能的话，值得添加。这种方法也可用于高端检测，只要（绝对）输入电压保持在MCU的绝对最大额定值内。

伪差分测量

如果MCU缺少真差分ADC，则仍可以通过执行伪差分测量来使用单端ADC执行差分测量。在这种测量模式下，ADC首先测量电流检测的高端，然后测量低端。通过相互减去结果，可以确定差分结果。

但是，这假定信号的DC（稳态）行为。此测量的更好版本在模式高侧、低侧和高压侧执行三次测量。在减法之前对两个高端测量值进行平均，以校正样本之间信号的变化。

伪差分测量

校准误差

在模拟域之外，另一种减少误差的方法是执行系统校准。这可以在工厂或最终产品中执行。要执行校准，请将已知电路条件应用于测量电路，从MCU获取测量值，然后根据预期值计算误差。测量误差校正可以存储在设备存储器中以备将来使用，尽管随着时间的推移可能会出现漂移。然后，在运行时，MCU 在处理之前对结果应用纠错。

信号缩放问题

根据我们目前所讨论的内容，电流检测电阻两端的电压被假定为ADC测量范围内的一个相当大的信号。但这种情况并不常见。如前所述，电流检测电阻耗散I2R功率。降低分流器的电阻可减少热量的耗散并提高电源效率。

使用可编程增益放大器 （PGA）

一些差分ADC（如ATtiny1627系列的ADC）具有内置可编程增益放大器（PGA），用于放大差分信号。当信号非常小时，此功能非常有用，只能使用ADC测量范围的一小部分。通过放大信号，微控制器甚至可以直接测量非常小的差分信号。

更通用的方法

没有PGA的MCU将不得不采取不同的方法。一种选择是将寄生电阻降至最低，并利用片内运算放大器（OPAMP）CIP。OPAMP可用于将分流器的输出放大到更大、更可测量的值。此外，某些器件内置电阻梯，无需外部元件即可用于OPAMP增益。为了获得更严格的增益控制，如果需要，可以将外部电阻与OPAMP一起使用。

电流检测放大器

这种方法的一个局限性是，使用两个OPAMP CIP进行差分放大将很难以有用的方式实现。要使这种方法发挥作用，两个OPAMP需要具有相同的增益（可能来自精密匹配的电阻）和难以校正的匹配失调电压。如果不匹配，将产生一定量的误差，如增益误差或失调误差。在这种情况下，分立仪表放大器将是更好的选择，因为它们包含匹配的电阻。

结论

这篇博文讨论了使用MCU测量电流的一些复杂性。

审核编辑：郭婷