基于精密超低功耗放大器的电源电压的高端电流检测方法

　　简介

　　微放大器电流的精密高端测量需要一个小值检测电阻和一个低失调电压，超低功耗放大器。 提供280μA的电源电流，以在100μA至250mA的宽动态范围内检测电流。 这最大限度地减少了分流电阻上的功率损耗，并使负载的可用功率最大化。 LTC2063的轨到轨输入允许该电路在非常小的负载电流下工作，输入共模几乎处于轨道上。 LTC2063的集成EMI滤波器可在噪声条件下保护其免受RF干扰。对于给定的检测电流，该电路的电压输出是：

　　

　　零点

　　电流检测解决方案的关键指标是零点，或在没有检测电流时产生的输出的等效误差电流。 零点通常由放大器的输入失调电压除以RSENSE决定。 LTC2063的低输入失调电压（典型值为1μV，最大值为5μV，典型值为1-3pA的典型输入偏置和失调电流）允许零点输入参考误差电流仅为10μA（1μV/0.1Ω），典型值为50μA （5μV/0.1Ω）最大。 如图2所示，这个低误差允许检测电路将其线性度保持在指定范围内的最低电流（100μA），而不会由于分辨率的损失而出现平台。输出电流到输出电压的曲线在整个 整个电流感应范围。

　　零点误差的另一个来源是输出PMOS的零栅极电压漏极电流（IDSS），即PMOS名义上关断（| VGS | = 0）时非零VDS的寄生电流。 具有高IDSS泄漏的MOSFET将产生不具有ISENSE的非零正VOUT。

　　

　　

　　英飞凌的BSP322P在此设计中使用的晶体管的上限IDSS为1μA，在| VDS | = 100V。 作为BSP322P典型IDSS的一个很好的估算，在室温下，VDS = -7.6V时，IDSS仅为0.2nA，误差输出仅为1μV，或等效的100nA输入电流误差，

　　测量0A输入电流时。

　　建筑

　　LT1389-4.096参考以及由M2，R2和D1组成的自举电路建立了一个非常低功耗的隔离式3V电压轨（4.096V + M2的VTH，典型值为-1V），可以保护LTC2063免受绝对最大电源 电压为5.5V。 尽管串联电阻可以满足建立偏置电流的需要，但使用晶体管M2可以提供更高的整体电源电压，同时在电源电压的高端限制电流消耗仅为280μA。

　　精确度

　　LTC2063的输入失调电压会产生10μA的固定输入参考电流误差。 在250mA满量程输入中，失调仅导致0.004％的误差。在低端，100μA中10μA的误差为10％。 由于偏移是恒定的，所以可以校准。 图3显示，LTC2063，不匹配的寄生热电偶和任何寄生串联输入电阻的总偏移量仅为2μV。

　　图3中所示的增益100.05V / V比由RDRIVE和RIN建立时的实际值或4.978k / 50.4 = 98.77V / V给出的预期增益大1.28。 这个误差可能是由于RDRIVE和RIN的温度系数不同造成的。

　　

　　这个电路输出的不确定性的主要来源是噪声，所以用大的并联电容滤波对于降低噪声带宽以及总的噪声是至关重要的。 采用1.5Hz输出滤波器时，LTC2063增加了约2μVP-P的低频输入引起的噪声。 在最长的可能时间内平均输出进一步减少了由于噪声引起的误差。

　　该电流检测电路中的其他误差源是寄生板电阻与LTC2063输入端的RSENSE串联，增益设置电阻RIN和RDRIVE的电阻值容差，增益设置电阻中温度系数失配以及误差电压 在寄生热电偶的运算放大器输入。 通过对RSENSE使用Kelvin sense 4引脚检测电阻，以及对RIN和RDRIVE的临界增益设置路径使用0.1％电阻以及类似或较低的温度系数，可以将前三个误差源最小化。 为了抵消运算放大器输入端的寄生热电偶，R1应具有与RIN相同的金属端子。 在输入端也应尽可能避免不对称的热梯度。

　　本节讨论的所有误差源的总体贡献在全尺寸2.5V输出参考时最多为1.4％，如图4所示。

　　电源电流

　　如图5所示，LT1389和LTC2063所需的最小电源电流在最小VSUPPLY和ISENSE（4.5V和100μA）时为2.3μA，最大VSUPPLY和ISENSE（90V和250mA）时最大为280μA。除了 由有源器件消耗的电流，还需要由VSUPPLY提供的输出电流IDRIVE至M1，与输出电压成正比，范围从1.0mV输出（对于100μAISENSE）为200nA到对于2.5V输出为500μA（对于250mA ISENSE）。 因此，除ISENSE外，总电源电流范围为2.5μA至780μA。 RDRIVE设置为5kΩ，以获得合理的ADC驱动值。

　　

　　输入电压范围

　　在此体系结构中，最大供应量由最大值| VDS |设置 PMOS输出可以承受。 BSP322P的额定电压为100V，所以90V是一个合适的操作限制。

　　

　　输出范围

　　这种设计可以驱动5kΩ负载，这使得它成为驱动许多ADC的合适阶段。 输出电压范围为0V至2.5V。 由于LTC2063具有满摆幅输出，因此最大栅极驱动仅受LTC2063的净空限制。 在此设计中，典型值为3V，由LT1389的4.096V和M2的-1V典型VTH决定。

　　由于此电路的输出是电流，而不是电压，因此接地或导线偏移不会影响精度。 因此，在输出PMOS M1和RDRIVE之间可以使用较长的引线，从而使RSENSE能够位于感测电流附近，而RDRIVE靠近ADC和其他后续信号链级。 长引线的缺点是增加了EMI敏感性。 RDRIVE上的100nF C3在到达下一阶段的输入之前将有害的EMI分流。

　　速度限制

　　由于LTC2063的增益带宽积为20kHz，因此建议使用此电路测量20Hz或更慢的信号。 与负载并联的22μFC2将输出噪声滤波至1.5Hz，从而提高了准确度，并保护后续阶段不受突发电流浪涌的影响。 这种滤波的折衷是更长的建立时间，特别是在输入电流范围的最低端。

　　结论

　　LTC2063的超低输入失调电压，低IOFFSET和IBIAS以及轨到轨输入可在100μA至250mA的整个范围内提供精确的电流测量。 其最大电源电流为2μA，使其电路在大部分工作范围内的电源电流远低于280μA。 随着LTC2063的低电源电压要求，低电源电流允许从一个带有裕量的备用基准电压供电。