应用笔记 3669

新的功率检测电流断路器


摘要 : 大多数情况下电路断路器是检测电流。例如,保险丝,当电路超过它的限值时,它靠切断电流来保护电路。对于恒定DC或RMS电源电压,电流检测电路断路器工作良好,但是,对于可变电源电压(如笔记本电脑中的电池),功率检测更可靠。提出一种采用功率检测方式实现的电流断路器,介绍了其设计原理,该方法优于电流检测方式的电路断路器。

引言

笔记本电脑中的主电源电压不插墙上电源时会下降,因为电池电压一般低于来自墙上适配器的电压。甚至,锂离子电池电压也从4.1V (充满电)到低于3V (接近放完电)变化。因此,功率检测电路断路器对于像笔记本电脑这样的系统是更可取的,因为在这些系统中功率受限制、电压源不是恒定的。

功率检测器检测电流的工作原理

提供给负载的功率等于负载电压乘负载电流。因此,功率监控集成电路必须包括一个电流检测电路和一个模拟乘法器。高端电流检测器提供与负载电流成正比的输出电压,负载电流乘负载电压等于负载功率(图1)。

图1a.
一个基本的功率检测器包括用于测量电流(产生一个比例输出电压)的电流检测器,电流值与负载电压相乘得到一个与负载功率成比例的输出电压。MAX4210是一款低成本的全硅功率检测器。
图1a.一个基本的功率检测器包括用于测量电流(产生一个比例输出电压)的电流检测器,电流值与负载电压相乘得到一个与负载功率成比例的输出电压。MAX4210是一款低成本的全硅功率检测器。

图1b. 基本的功率检测电路包括电流传感器和模拟乘法器
图1b. 基本的功率检测电路包括电流传感器和模拟乘法器

硅高端电流检测放大器

表1示出实现电流检测电路断路器的几种方法。保险丝,可复位保险丝和双层金属片,是电热型的。它们都带有与负载串联、阻值已知的金属片,当有电流通过时,温度将升高。当电流达到危险(断路)电平时,靠保险丝材料熔化,急剧增大阻值(可复位保险丝)或双金属片加热导致金属弯曲断开开关使电路断开。电磁电路断路器的工作类似于双层金属片断路器,所不同的是电磁产生的机械动作替代变热。

表1. 电流检测技术比较
Type Principle Accuracy Complexity Cost Comment
Current switches Fuse Thermal Poor Simple Very low Not resettable
Resettable Fuse (PTC) Thermal Poor Simple Very low
Circuit breaker (bimetallic strip) Thermal Poor Simple Low Bulky mechanical device
Circuit breaker (electromagnetic) Electromagnetic Poor Simple Low Bulky mechanical device
Current sensors Current transformer Magnetic Good* Medium to high Medium to high Bulky transformer, AC signal only
Hall-effect Magnetic Good* Medium to high High Non-contact magnetic field sensor
Giant magnetoresistance (GMR) Magnetic Good* Medium to high High Similar to hall-effect but better sensitivity.
Integrated circuit-current mirror (MAX4006) Resistor Good Simple Low Wide dynamic range, low-current capability
Integrated circuit (MAX4210) Resistor Good Simple Low Immune to magnetic interference
* 通常需要定标。

表1所列4个电流开关电路断路器不具有精确的电流检测,它们的断路点精度较差。相反,电流传感器能提供较好的电流检测精度,而且可容易设计为电路断路器。

电流变压器是电流传感器类型,它一般体积大且比较复杂。它只适合于AC信号,其变压器初级与电源串联,而次级提供正比于电流的电压输出。

霍尔效应和大磁阻(GMR)传感器实际上是磁场传感器。因为任何承载电流的导线或PCB引线都会产生磁场,所以,磁场感器对于检测电流是有用的。这类传感器也提供电隔离,因为它们不与承载电流的导体接触。传感器输出电压不仅依赖于所承载的电流,而且也依赖于承载电流的PCB引线相对于传感器的物理位置。因此,为了达到良好的精度,通常霍尔和GMR传感器需要定标,定标会增加复杂性和成本。这类传感器对来自相邻电路的磁干扰是敏感的。

电流镜为测量电流提供了另一种方法。它由两个不同大小连接成电流镜配置的匹配晶体管组成(图2)。副分支镜主分支电流例如,以10:1的比值镜像。因此,可以用副分支中的比例电流测量主分支中的电流。电流镜检测技术具有宽动态范围高达60),但一般限于小电流应用。

图2. MAX4006高端镜像测量超过60动态范围的电流,但电流限制值最大为10mA。
图2. MAX4006高端镜像测量超过60动态范围的电流,但电流限制值最大为10mA。

对于电流镜,MOSFET必须工作在饱和区。跨接在漏极和源极上的电压一般大于1V。与其他技术中电压降不大于0.1V相比,1V压降过大。因此,主电流应限制到不大于10mA,如实例中测量光电二极管的情况。电流镜技术对于小电流应用很适合,但它对于大电流、低电压(包括电池供电)应用不具有竞争力。

对于DC应用(如电池),最简单的方法是根据欧姆定律V = IR监视电流。即跨接在检测电阻上的电压与通过的电流是线性比例关系。基于电阻的电流传感器一般需要一个放大器来提供输出电压到外部电路。这样的放大器容易在工厂中调节达到1%或更好的精度(图3)。此电路称之为高端电流检测放大器,因为它测量电压源中的电流,所以,对负载地通路无干扰。

图3. 高端电流检测放大器输出一个与负载电流成正比的电压。
图3. 高端电流检测放大器输出一个与负载电流成正比的电压。

高端电流检测放大器在电池(电压源端)和负载之间放量电流检测电阻。这种配置避免地平面上的附加电阻,大大地简化了布线并改善了整个电路的性能。通过检测电阻(RS)的电流,在此电阻上产生一个压降。运放感测的电压驱动MOSFET晶体管来吸收通过R的电流。R上的压降等于检测电阻上的压降,因此:

KISRS = IOR,
IO = KIS(RS/R)和
VO = KIS(RS/R)RO

传感器输出电流正比于负载电流,通常,电流镜用于将输出电流提高K倍。若需要电压输出,则在电流输出和地之间加一个输出电阻(RO),把电流转换为电压。可以在工厂调节电阻R和RO,以达到1%或更好的电流检测精度。

功率监测器

用一个精确的低成本电流传感器来测量电流,用电流乘电压就获得功率测量。一个低成本全硅功率传感器由集成电流传感器和模拟乘法器组成(图1b)。乘法器工作在第1象限,即输入和输出都是正电压。只需要单电源电压。如同电流传感器,模拟乘法器也可在工厂调节来达到良好的精度。

例如,MAX4210功率监控器IC设计用来监控笔记本电脑中的电池。功率传感器的共模电压范围(4V至28V)适用电池电压变化。为了测量电流,在电源(电池)和负载之间接入一个检测电阻。然后,电流检测放大器馈入一个与负载电流成正比的电压到模拟乘法器的一个输入。乘法器的另一个输入连接到连接负载的电压分压器(负载电压必须用分压器降压,因为乘法器的最大输入电压是1V)。这两个电压相乘产生正比于负载功率的输出电压。

为了达到功率测量所希望的精度,需要工厂调节。图4示出工厂调节后MAX4210的典型功率测量精度与检测电压的关系曲线。对于50mV至150mV的VSENSE,其误差小于1%。对于低于50mV的检测电压测量误差增加,这是由于电流检测放大器中的输入偏移所致。因此,选取检测电阻来保证跨接在检测电阻上的压降在最大电流时处在50mV和150mV之间。例如,最大所期望负载电流是10A,则选择10mΩ检测电阻,所产生满量程电压是100mV。

图4. 高端功率和电流监控器MAX4210的测量误差在地检测电压时增大,其原因是电流检测放大器中的输入失调。在检测电压大于50mV时,误差低于1%。
图4. 高端功率和电流监控器MAX4210的测量误差在地检测电压时增大,其原因是电流检测放大器中的输入失调。在检测电压大于50mV时,误差低于1%。

电子功率检测断路器

在电源电压变化或电源功率有限制的系统中,检测功率故障的电路断路器所提供的保护比只检测电流故障要好。这种系统包括笔记本电脑,智能电池,高可靠性电源等。功率检测IC (如MAX4211)是为电路故障保护设计的。

功率检测电路断路器对于保护电池短路和过功率故障是有用的,当断路器检测到功率故障时便断开到负载的电流(图5)。一旦检测到故障,MOSFET (M1)关闭直到下按手动复位按钮或加逻辑高电平到CIN2输入为止。也可以靠周期性变化的输入功率复位电路断路器,这导致LF引脚变低态并不锁定比较器输出OUT1。 连接到比较器的RC网络R3-R4-C1在电压瞬变期间防止故障检测结果的变化。

图5. 此固态功率检测电路断路器断开到负载的电流,以响应功率故障。按手动复位按钮或逻辑高电平到CIN2可复位电路断路器。当电压瞬变发生时,比较器INHIBIT输入暂时中止,以防止故障功率报警。
图5. 此固态功率检测电路断路器断开到负载的电流,以响应功率故障。按手动复位按钮或逻辑高电平到CIN2可复位电路断路器。当电压瞬变发生时,比较器INHIBIT输入暂时中止,以防止故障功率报警。

结束语

对于终端电压随电池放电而变化的电池应用,功率监控比电流监控优越和安全。新型IC集成了所必须的大多数元件,使其成为成本低、性能高的全硅功率传感器。这种传感器在工厂调节可达到优于1%精度。至今,能够像MAX4210功率检测电路断路器一样,把内部比较器和基准与外部MOSFET开关结合在一个器件内部是并不容易实现的。

相关资料

相关部分是MAX4172和MAX4211。想获得更多信息,请参看MAX4172MAX4211EEVKIT的数据资料。