標(biāo)簽：智能硬件(444)穩(wěn)壓電路(81)電源管理(481)
在一些電源控制應(yīng)用中，基于可靠性或安全性的原因，需要對(duì)阻性電源負(fù)載的工作狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)的評(píng)估。醫(yī)療設(shè)備中使用的發(fā)熱電阻就是這種應(yīng)用的很好例子。為了有效果，評(píng)估時(shí)應(yīng)采用連續(xù)監(jiān)視電源負(fù)載電阻的方式，并且不能干擾系統(tǒng)的正常工作。監(jiān)視系統(tǒng)應(yīng)提供至少一個(gè)數(shù)字告警信號(hào)，該信號(hào)需要在阻值超過預(yù)設(shè)范圍時(shí)被激活。
帶簡(jiǎn)單的電阻性負(fù)載電流監(jiān)視功能的典型電源控制應(yīng)用可以如圖1所示那樣建模，其中忽略了任何感抗現(xiàn)象。在這種集總模型中，U是供電電壓；I是電路中的電流；R是電源負(fù)載（純阻性）；Rp1、Rp2和Rp3代表所有寄生電阻，建模的是互連走線、連接器和任何可能的機(jī)械或電子開關(guān)（閉合時(shí)）的電阻；Rs是電流檢測(cè)電阻。設(shè)Rp是總的寄生電阻，定義為Rp = Rp1 + Rp2 + Rp3。如果U和Rp是常數(shù)，那么I在R改變時(shí)才會(huì)改變，因?yàn)镽s是常數(shù)。因此評(píng)估R的偏差只需要監(jiān)視電流即可。然而在大多數(shù)情況下，實(shí)際的U和Rp不是固定不變的。事實(shí)上，即使在常見的恒壓PWM電源控制應(yīng)用中，U也可能因?yàn)殡娫催^高的內(nèi)部阻抗（不良調(diào)整）和/或電壓容差而偏離期望值。寄生電阻Rp包含導(dǎo)線、連接器和開關(guān)的電阻，它們通常會(huì)因溫度、用途和老化的原因而發(fā)生變化。舉例來說，如果開關(guān)是功率MOSFET實(shí)現(xiàn)的，那么由于它具有正溫度系數(shù)，它的Rds（ON）會(huì)隨溫度的上升而增加。
圖1 帶簡(jiǎn)單的阻性負(fù)載電流監(jiān)視功能的典型電源控制應(yīng)用。
很明顯，U和Rp的變化將影響基于電流的簡(jiǎn)單電阻監(jiān)視方法的精度。為了克服這個(gè)問題，可以在計(jì)算實(shí)際負(fù)載電阻（R）的基礎(chǔ)上進(jìn)行電阻監(jiān)視，方法是測(cè)量負(fù)載電流和負(fù)載電壓，然后根據(jù)歐姆定律計(jì)算它們相除的結(jié)果。現(xiàn)在典型的方法是在數(shù)字域中做這種除法，它要求至少一個(gè)帶兩個(gè)復(fù)用輸入通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和一些處理單元（即微控制器）。這種方法很有吸引力，特別是當(dāng)系統(tǒng)中已經(jīng)有微控制器的時(shí)候。然而，由于可靠性或安全方面的原因，用軟件完成計(jì)算任務(wù)的這種方法可能行不通，或者根本不可取。
例如在醫(yī)療級(jí)設(shè)備中，標(biāo)準(zhǔn)IEC 60601-1(＄0.0418)（條款14）規(guī)定，如果由可編程系統(tǒng)來確保至關(guān)重要的安全性，那么開發(fā)周期必須遵循規(guī)定的程序，這將使最終系統(tǒng)的開發(fā)和隨后的認(rèn)證進(jìn)一步復(fù)雜化。另外一種方法是在模擬域中執(zhí)行除法操作，方法是使用精密的模擬分壓集成電路（IC）。然而，這種IC一般很昂貴，而且不很常見。不過在模擬域中，我們可以利用經(jīng)典的惠斯通電橋——在低功耗電阻測(cè)量中一種很著名的電路。它將是我們討論的起點(diǎn)。
在展開討論之前，最好是將R定義為R = Rn（1+δ），其中Rn是R的歸一化值，δ是R的相對(duì)誤差，定義為δ = R/Rn – 1。另外，讓我們將閾值點(diǎn)δi 和δs定義為監(jiān)視系統(tǒng)啟動(dòng)故障條件信號(hào)點(diǎn)之外的δ值（分別對(duì)應(yīng)更差和更好）。在圖2a）中，惠斯通電橋和比較器用來產(chǎn)生邏輯信號(hào)，指示R是大于還是小于某個(gè)閾值。很容易表明，這個(gè)電阻閾值獨(dú)立于U，它是這種電橋拓?fù)涞囊粋€(gè)特性。在圖2 b）中，通過在參考支路和兩個(gè)比較器中使用一個(gè)額外的電阻（R3），可以擴(kuò)展拓?fù)洌瑢?shí)現(xiàn)阻值窗口比較器。閾值點(diǎn)δi 和δs由R1、R2和R3之間的比值設(shè)定，因?yàn)樗鼈兇_定了比較器（Ut1和Ut2）的閾值電壓。
圖2 惠斯通電橋拓?fù)洹?/p>
雖然圖2 b）所示電路的閾值點(diǎn)獨(dú)立于U，但它們?nèi)匀皇茈娫捶种В▓D1中所示）寄生電阻的影響。另外，比較器的共模和差分輸入電壓通常很小（R 》》 Rs）。事實(shí)上，期望的差分輸入電壓范圍與比較器的輸入偏移電壓（IOV）通常是相當(dāng)?shù)模虼藭?huì)嚴(yán)重影響監(jiān)視系統(tǒng)的精度。
解決方案的通用模型
為了克服Rp依賴性，我們可以將電流與負(fù)載電壓進(jìn)行比較，而不是將電流與供電電壓U 進(jìn)行比較。此外，我們可以在比較器之間進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾妷赫{(diào)整，以克服比較器上很小的差分輸入電壓引起的參考精度損失問題。這種解決方案的通用模型見圖3，它包括寄生電阻Rp1、Rp2和Rp3。在這個(gè)模型中，負(fù)載電壓和負(fù)載電流（表示為Rs上的電壓）在施加到比較器COMP1和COMP2輸入端之前先被同相增益級(jí)電路所調(diào)整。這些增益級(jí)電路總是用運(yùn)放（OPAMP）和增益確定電阻實(shí)現(xiàn)。
需要注意的是，只有當(dāng)這種運(yùn)放的IOV范圍比比較器的IOV更窄時(shí)，才有可能減少由于很小的差分輸入電壓引起的誤差。不過這個(gè)條件不難滿足，因?yàn)榫苓\(yùn)放的IOV范圍通常都要比精密比較器小，這也是為什么在一些低速高精度應(yīng)用中將運(yùn)放用作比較器的原因。
圖3：通用模型。
