使用无电阻传感解决方案扩大电流测量范围

测量系统中的电流是监控系统状态的基本但强大的工具。借助先进的技术，电子或电气系统的物理尺寸大大缩小，降低了功耗和成本，而在性能方面并没有太大的折衷。每个电子设备都在监控自己的健康和状态，这些诊断提供了管理系统所需的重要信息，甚至决定了其未来的设计升级。
越来越需要测量系统中从微小电流水平到几安培电流的各种电流。例如，在以下情况下可以看到确定系统中电流或消耗的高动态范围：
1. 睡眠/非活动电流，用于确定除正常操作之外的整体负载性能和电池/电源功率估计。
2. ATE/测试环境需要处理微小/低微安电流水平以安培电流水平，从而需要研发或生产水平测试。
3. 生产车间环境以捕捉生产问题（IC 下的助焊剂、不必要的焊接短路或开路）以及正常的操作功能测试。
4. 工业设备监控，开启和关闭期间的功耗提供了设备的健康状况，例如，监控设备中的正常电流和泄漏电流以确定其随时间的磨损。

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图 3：具有集成电流感应元件的 2.5V 至 5.5V 电流感应系统
代替外部检测电阻器，V DD输入和负载 (LD) 输出之间存在集成检测设备，能够测量100uA 至 3.3A的系统负载电流 (I LOAD ) 。增益为 1/500 的内部增益模块提供 ISH 的输出电流，即 . 一个 160Ω 电阻从 ISH 电流输出连接到 GND，转换为从 0V 到 1V的 V ISH电压输出。
在 3A 负载电流下，传感元件器件上的 V DD和 LD之间的压降约为 60mV（图 1），仅相当于 180mW 的功耗，而在较低的电流值下，检测到 100μA 范围的总误差在该区域内10%（图 2）。再加上在较高电流负载下的功耗更低，并且在较低电流水平下仍保持改进的误差预算，该方案优于图 1 的传统检测电路。因此，需要高达 3A 检测的更宽电流检测范围的应用可以从该方案中受益。
具有扩展线路/输入电压的无电阻传感解决方案：
图 4 是图 3 的输入电压范围扩展，其中 U1 的电源电压现在可以接受更高的线路电压，高达 6V 至 36V 。齐纳二极管 (D1) 将 V DD和 PFET (M1) 栅极之间的电压维持在5.6 V 。高压线的大部分被 M1 吸收，M1 的源极钳位到距离 V 大约 4V-4.5V DD输入电压，从而将 U1 工作电压 (V DD -V SS ) 保持在其正常工作范围内（图 3）。然后，这个 M1 的源极电压偏置 M2 PFET 的栅极电压。M2 PFET 源极位于 V SS (U1) + V TH(M2) 确保 U1 ISH 输出在可接受的电压范围内。ISH 电流输出和 R1 产生相对于 GND 的 0 至 1V 输出。

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图 4. 具有集成电流感应元件的 6V 至 36V 电流感应系统
参考
设备
描述
D1
CMFZ4690
5.6V齐纳
M1
BSP322PH6327XTSA1
MOSFET P-CH 100V 1A SOT-223
M2
BSP322PH6327XTSA1
MOSFET P-CH 100V 1A SOT-223
U1
MAX40016ANL+
WLP 封装中的四个十年无电阻器 CSA

实验结果
下面是图 4 电路的实验结果。

图 1：内部传感元件上的电压降与负载电流的关系