精确测量电流与微控制器

介绍用于减少或消除错误的片上模拟 CIP

一些应用，例如电力电子、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，但测量电流则不然。电流测量增加的复杂性增加了测量错误的机会。这篇博文将讨论其中一些错误来源，以及如何使用片上模拟内核独立外设 (CIP) 来减少或消除这些错误。

问题范围
大电流流动时更容易出现测量误差。但这些错误并不仅限于电力系统。不良的接地和信号管理也会影响小信号测量。如果所有错误和不准确性的总和超过最低有效位 (LSB) 的 ½，或者换句话说，ADC 的每位分辨率，则错误将影响测量。了解潜在误差的来源可以最大限度地发挥当前测量的能力。

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，它会通过检测电阻器，根据欧姆定律 (V = IR) 在电阻器两端产生电压。在理想情况下，测量该电路就像将 ADC 输入连接到该电流分流器一样简单。

（显示带有寄生电阻的电流测量电路）

如果分流电阻器与 R GND相比相对较大，则影响可以忽略不计。但是，如果接地返回电阻甚至是分流电阻的百分之几，就会增加大量误差。例如，如果使用 1 欧姆、±1% 的分流电阻器，仅仅 10 毫欧姆的电阻就相当于电阻器上的容差，将其变成 1 欧姆、-0%、+2% 的电阻器。随着电流分流器的电阻变得更小，效果变得更加明显。为了减少影响，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，让我们看看增加分流器的电阻。在电源应用中，这不是最佳解决方案。随着电阻的增加，电阻器消耗的功率 (P = I 2 R) 也会增加，从而降低效率。为了保持相同的电流量通过负载，必须增加电源的顺应性（电压）。

这种方法只适用于特定的应用和环境。

降低寄生电阻
相反的方法是减少寄生损耗。为了最大限度地减少损耗，电流返回路径应尽可能短且阻抗尽可能低。免费的在线计算器和工具可以估算 PCB 上特定走线宽度的电阻值。

差分测量
一些微控制器 (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 的地。

（信号的差分测量）

这会在不对电路进行任何更改的情况下消除偏移，尽管用于最小化寄生电阻和校准的其他方法（见下文）仍然有效并且值得在可能的情况下添加。只要（绝对）输入电压保持在 MCU 的绝对最大额定值范围内，此方法也可用于高侧检测。

伪差分测量
如果 MCU 缺少真正的差分 ADC，仍然可以通过执行伪差分测量来使用单端 ADC 执行差分测量。在此测量模式下，ADC 首先测量电流检测的高端，然后是低端。通过将结果彼此相减，可以确定差分结果。

然而，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、然后高侧执行三个测量。两个高侧测量值在相减之前进行平均，以校正样本之间信号的变化。

(伪差分测量)

校准错误

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，然后根据预期计算误差。测量误差校正可以存储在设备内存中以供将来使用，尽管随着时间的推移可能会发生漂移。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

从我们目前所讨论的内容来看，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，电流检测电阻消耗 I ² R 功率。降低分流器的电阻可减少散热量并提高电源效率。

使用可编程增益放大器 (PGA)

一些差分 ADC（如 ATtiny1627 系列的那些）具有放大差分信号的内置可编程增益放大器 (PGA)。当信号非常小且仅使用 ADC 测量范围的一小部分时，此功能很有用。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 将不得不采用不同的方法。一种选择是最大限度地减少寄生电阻并使用片上运算放大器 (OPAMP) CIP。OPAMP 可用于将电流分流器的输出放大到更大、更可测量的值。此外，一些器件包含一个内部电阻梯，无需外部组件即可用于 OPAMP 增益。为了更严格的增益控制，如果需要，可以将外部电阻器与 OPAMP 一起使用。

(电流检测放大器)

这种方法的局限性在于，使用两个 OPAMP CIP 的差分放大很难以有用的方式实现。为了使这种方法起作用，两个 OPAMP 需要具有相同的增益（可能来自精确匹配的电阻器）和匹配的偏移电压，这将很难校正。如果不匹配，将产生一定量的误差，如增益误差或偏移误差。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器。

结论

这篇博文讨论了使用 MCU 测量电流的一些复杂性。有关PIC18F56Q71 系列和ATtiny1627 系列等其他系列的更多信息，请访问宝星微官方网站或者Microchip官方网站。