数十年设计简化了当前监测

文章作者：尼克·康福德

这种设计思想被证明是有用且简单的。仅需三个或四个元件，就可以在单个范围内监测从μA到100mA以上的电流。

我当时正在开发一个基于PIC的电路板，需要监控它从一对AA电池中提取的电流。尽管大部分时间都在睡眠中，但由于boost转换器的30μa静态电流占主导地位，电路板可以快速循环通过突发感测、显示和传输，从8mA到100mA。尝试使用固定范围内的数字式万用表令人沮丧，而自动测距由于循环时间快且接通时间短而让我头疼。

二极管上的电压随着流过二极管的电流对数的增加而增加，如二极管方程所定义：
IF≅I0•exp (eVF/kT)
其中IF是正向电流
I0是反向饱和电流
e为电子电荷(1.602 × 10-19 C)
VF是正向电压
T是温度(K)
k为玻尔兹曼常数(1.380 × 10-23 J/ k)。

（这是一个稍微精简的工程师版本；有关完整作品和有用链接，请参见肖克利二极管方程。）出于我们的目的，我们可以从中提取：

VF∝ 给定温度下的logIF。

并联二极管

现在，用一个仪表动作分流一个二极管。在非常低的电流下，当电流流过二极管时，它将显示微安，而在高电流下，它将显示二极管上的电压，从而显示电流的对数（将二极管视为自适应分流器）。因此，仪表刻度的底部是合理的线性，顶部是充分的对数，中间是过渡的，而整体是非常有用的。

如图1所示，使用肖特基整流器、100μA/1.7kΩ仪表和合适的串联电阻，可以在单个范围内监测从10μA到100mA以上的电流，指示速度仅受仪表弹道的限制。

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

除了精细的校准程序（详见下文）之外，任何这种简单的方法通常都比组件有更多的问题，此电路有两个主要缺陷：串联压降和温度稳定性。二极管将下降至400mV，因此在监测时使用新的或充满电的电池，否则您的UUT可能会发现电池电量低。或者，将此视为一种方便的低电量检测功能，可能会添加短路开关。

附加二极管

在刻度的底部，几乎所有的电流都流过仪表，测量温度很低，仅限于仪表运动的机械和磁温度系数。然而，在较高的电流下，我们看到二极管上的电压，当然，如二极管方程所预测的，它会降低约2mV/K。这不仅影响对数定律的斜率，还影响我们的线性-对数过渡点。此外，仪表绕组构成总串联电阻的重要部分，铜在室温下的TCR为3930ppm/K。图2中所示的偏转与电流曲线适用于1N5817在0°C、25°C和d 50°C。这说明了运动的TCR以及二极管的tempco，但忽略了后者的任何自热效应。在相当恒定的温度下，没有实际问题。

[数十年电流监测器曲线图2（cr）]“src=”https://images.contentful.com/7jb0g1eg08yi/1sQeY1J8SoCKc6sEccYy6c/ab91254dba870d6d45f1d257f8c2669c/Multi-decade_current_monitor_curve_diagram_fig2_cr.gif"/>
图2：产生的挠度与电流曲线。

自加热，主要在D1中，也不是真正的问题。让我们假设100mA在流动，D1在下降400mV：即40mW。根据数据表，DO-41 1N5815的基本热阻为50K/W，具有较长的引线和大量的散热铜。将这些数字放在一起显示，在100mA时，结将电阻为se仅下降2°，相当于VF下降约4mV或满量程误差约1%。尽量保持二极管的引线短且热质量高。小心高瞬态电流，可能是在接通时，因为这些会导致误差，直到结再次冷却。

图3:改进的版本增加了二极管。

图3中的改进版本通过在仪表移动的串联中添加一个额外的二极管来消除tempco;其曲线如图4所示。注意，现在尺度的大部分是对数的，额外的二极管有效地抑制了初始的线性区域。然而，二极管的选择现在是关键的，因为D2应该有一个略低的正向电压比D1但匹配的特性。让人困惑。

图4:带有额外二极管的偏转与电流曲线。

LTspice的作用

LTspice to the rescue

硅P-N结二极管通常具有非常直的（log-IF）/VF关系；肖特基没有。这是因为它们的结构本身具有更高的串联电阻，导致该定律在极低电流下变得比对数更线性，并且通常还具有保护环来控制电位梯度，从而形成与肖特基结本身平行的P-N二极管，从而在高电流下软化曲线。因此，在实践中，精确的对数定律随电流和设备类型而变化。因此，尽管垃圾箱二极管可能适合第一个版本——考虑到该电路不可避免的不精确性——但双二极管设计需要仔细选择。肖特基二极管提供了更多的背景。

因为我有一盒便宜的边角线100μa/1700Ω指示器，适合35mm x 14mm的孔径，所以我使用这些指示器。这种类型非常常见，并提供了紧凑、实用的结果，但它们的结构、线性和单元之间的一致性将使阿尔松瓦尔先生的幽灵哭泣。

[当前监视器数据点比较图5和图6（cr）]“src=”https://images.contentful.com/7jb0g1eg08yi/6UwmIiCHSgcSMMUqKUs8SC/69e39ff5122bcd6ee250dc097ec4b99d/Multi-decade_current_monitor_data_points_comparison_fig5_6_cr.jpg"/>
图5和图6：从显示器、电池、固定电阻和可变电阻以及DMM组合的校准点(右)。基准点(左)很好地反映了现实，尽管仪表很糟糕。

图5中使用的校准点是通过排列监视器、电池、固定和可变电阻器以及数字式万用表的串联组合而产生的。在适当的位置标记现有的仪表刻度，然后移除并扫描，扫描被用作最终布局的模板。模拟结果用于生成图6中的基准点，但结果很好地反映了现实情况，尽管仪表很糟糕。这些秤可以节省你的时间，但不如从头开始做自己的秤准确（显然，其他动作需要不同的秤）。调整R1以调整校准（仪表规定为±20%）。两种尺度都考虑了运动的非线性。

请注意，我称之为“监视器”而不是“仪表”；后一个术语对我来说意味着更准确的东西。尽管如此，我现在将其构建到我的大多数开发甚至生产测试设备中，它们对于发现各种故障和问题非常有用，从短路的电源线到错误编码的上拉销。

为了实现电流监测的终极简单性，只需将一个合适的二极管与电源的负端串联，并调整其正向电压。在一些便利贴校准后，您可以监控您的供应电流与任何其他您想要探测的精确同步。

首先由EDN出版。

Nick Cornford在10岁时制作了他的第一台水晶电视机，从那时起，他一直在设计专业的音频设备、调制解调器和许多datacomm产品。他目前从事技术安全设备，他正试图退休。