使用固定量程的DMM令人沮丧,但这个简单的设计实例可以实现单一量程内从数μA到超过100mA的电流监控。

本设计实例已被证明非常有用,而且非常简单。只需三四个元件,就可以在单一量程内监控从数μA到超过100mA的电流。

我开发了一块基于PIC的电路板,需要监视它从两粒AA电池抽取的电流。虽然这块电路大多数时间都处于待机状态,其升压转换器的30μA静态电流占功耗的主要部分,但它可以快速经历突发的检测、显示和发送状态,抽取的电流在8mA到100mA之间。使用固定量程的DMM十分令人沮丧,自动量程也由于快速循环时间和很短的工作时间让我头疼。下述方法非常有用。

正如二极管公式IF ≅ I0 • exp(eVF/kT)定义的那样,二极管上的电压随着流经的对数电流不断上升。其中IF是正向电流,I0是反向饱和电流,e是电荷(1.602×10^-19C),VF是正向电压,T是温度(K),k是波尔兹曼常数(1.380×10^-23J/K)。

根据我们的目的,可以从中提取出以下公式:

VF ∝ lnIF (在给定温度时)

分流二极管

现在,让我们并一个带测量仪表的二极管。在电流很低时,它会指示流经仪表而不是二极管的毫安级电流;而在大电流时,它会显示二极管上的电压,以及由此得出的电流对数(将二极管想像为一个自适应分流器)。因此仪表刻度的底部是相当线性的,顶部具有足够的对数性质,中间则是过渡阶段,因此整个范围非常有用。

如图1所示,使用一个肖特基整流管、一个100μA/1.7kΩ仪表和一个合适的串联电阻就可以在单一量程内监控从10μA到超过100mA的电流,其指示的速度仅限于仪表的摆速。

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图1:一个肖特基整流管、一个100μA/1.7kΩ的仪表和一个合适的串联电阻

这种简单电路存在的问题常常比元件数量还多!除了需要高精度的校准过程,这个电路还有两个主要缺陷:串联压降和温度稳定性。二极管的压降高达400mV,因此监控时最好使用新的或者充满电的电池,否则你的UUT可能显示电池电量低。也可将这个电路想像为一个方便的低电压检测测试电路,这样也许要增加一个短路开关。

增加额外的二极管

在刻度底部,几乎所有电流都流经仪表,受限于仪表测量机构的机械和磁温度系数,测量的温度系数很低。但在较大电流时,我们会看到二极管上有压降,当然正如二极管公式预示的那样,这个压降会以大约2mV/K的速度下降。这不仅影响对数律的斜率,也影响线性到对数过渡点。此外,仪表绕组占总串联电阻的很大一部分,铜在室温时的TCR为3930ppm/K。图2显示了1N5817分别在0℃、25℃和50℃时的偏差与电流关系曲线。这些曲线考虑了测量电路的TCR和二极管的温度系数,但忽略了后者的任何自热效应。在较稳定的温度条件下则没有任何问题。

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图2:偏差与电流曲线

主要存在于D1中的自热实际上也没有问题。假设流过的电流是100mA,D1的压降是400mV:那就是40mW。根据数据手册,带稍长引脚和大量散热铜片的D0-41 1N5815的基本热阻是50K/W。将这些数据一起考虑进去,100mA时结点的温升才2°,相当于VF降低约4mV,或满刻度时约1%的误差。试着将二极管保持为短的引脚和高的热质量。注意在导通的时候可能有很高的瞬态电流,因为这些会导致误差,直到结点温度再次冷却下来。

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图3:增加二极管后的改进版本

图3增加了一个与仪表测量电路串联的额外二极管,是抵消温度系数的改进版本;图4显示了这个电路的曲线。注意,现在曲线的大部分是对数形式,那个额外的二极管有效地抑制了初始的线性区域。然而,该二极管的选择相当关键,因为D2的正向电压应该稍低于D1,但其它特性应该匹配。这有点令人困惑。

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图4:增加了一个二极管后的偏差与电流曲线

LTspice所扮演的角色

LTspice来拯救我们了!我有幸碰到了D1采用10MQ060N和D2采用BAT54的组合——这是我仿真的第一对器件。两者都很便宜,由LTspice建模,因此是推荐的器件。一对10MQ060N几乎等同地工作(但一对BAT54则不能)。与其它器件的组合大多数时候会显示更差的温度变化和奇怪的指示,因此在搭建电路之前先要建模。如果仪表的灵敏度和电阻合适的话,R1可以省略。D1和D2的热性能要一致,这样它们才能彼此跟踪温度的变化。

硅P-N结二极管一般具有非常直的(log IF)/VF关系,肖特基的不直。这是因为它们的结构本身存在较高的串联电阻,在很低的电流时两者的关系更接近线性而非对数,并且也有保护环来控制可以形成与肖特基结点并联的P-N二极管的电位梯度,从而软化大电流时的曲线。因此在实际使用中,精确的对数律会随电流和器件类型发生改变。虽然对于第一个版本来说,一个用过的二极管可能就可以了,但鉴于这种电路不可避免的不精确性,对于双二极管设计还是需要精挑细选。

因为我有一盒以前留下来的便宜的100μA/1700Ω指示器,刚好适合35mm x 14mm孔径,所以就用它们了。这类指示器很常见,非常紧凑也非常实用,而且它们的构造、线性度和单元之间的一致性也较好。

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图5 & 图6:源自监视器、电池、固定和可变电阻以及DMM组合的校准点(右)。尽管仪表不是很好,但基准点(左)很好地反应了实际情况。

图5中使用的校准点是通过安排监视器、电池、固定和可变电阻以及DMM的系列组合产生的。现有的测试刻度在合适的点都做了标记,然后被消除和扫描,扫描被用作最终版图的样板。仿真结果用于产生图6中的基准点,结果很好地反应了现实,尽管仪表较差。这些刻度可以节省时间,但不像自己新做的那样精确(显然这些测量结构需要不同的刻度)。调整R1可以微调校准(仪表规定为±20%)。两种刻度都考虑了仪表结构的非线性。

注意,我把这个称为“监视器”而不是“仪表”,后面的用语对我来说应该具有更好的精度。不管怎样,现在我都将这些电路嵌入进了我的大多数开发项目甚至生产测试装置中,它们对于查找各种故障和问题很有帮助,包括从电源线短路到错误编码的上拉引脚等。

为了最终方便电流的监控,只需将合适的二极管与电源的负端串联在一起然后监视它的正向压降就可以了。经过一些简单的校准后,你就可以与想要探测的其它参数完全同步地监控供电电流。

《电子技术设计》2017年6月刊版权所有,谢绝转载。

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