放大比較控制：很像空氣開(kāi)關(guān)的電流檢測(cè)器 RT6052

以我的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的電源管理都以電壓控制為顯性目標(biāo)，對(duì)電流的控制常常是悄悄進(jìn)行的，例如一般的電源轉(zhuǎn)換器都以穩(wěn)定的電壓作為輸出，輸出電流的大小最終由負(fù)載決定，但在到了最大負(fù)載能力時(shí)就開(kāi)始限流，這個(gè)時(shí)候才對(duì)外表現(xiàn)出對(duì)電流的控制來(lái)，非專業(yè)人員一般都不了解這些特點(diǎn)，會(huì)用歐姆定律來(lái)思考問(wèn)題的人也很少，普通電源適配器上的參數(shù)對(duì)他們來(lái)說(shuō)往往就是個(gè)擺設(shè)，我在挑選無(wú)線耳機(jī)的時(shí)候就看到很多人在問(wèn)充電器的問(wèn)題，都是 5V 輸出但負(fù)載能力分別為 1A、2A、3A 的適配器就會(huì)讓人疑惑到底哪一個(gè)才是合適的。我有個(gè)自己做老板的朋友常常要從電子專業(yè)畢業(yè)的應(yīng)聘者里去挑選員工，經(jīng)常被他用來(lái)面試的題目之一就是詢問(wèn)他們對(duì)電源適配器參數(shù)的理解，可惜的是他所得到的答復(fù)常常都是錯(cuò)的，幸好他并不需要使用水平多高的人才，否則他的公司要生存下去還真是不容易。事實(shí)上很多工作都不需要從業(yè)人員有多高深的知識(shí)，大多數(shù)高手都是在把最基礎(chǔ)的技能充分熟練后而養(yǎng)成的，所以我比較主張學(xué)習(xí)就要從基礎(chǔ)抓起，這也是我在寫文章時(shí)的出發(fā)點(diǎn)，總想每篇文章都要有營(yíng)養(yǎng)，否則就覺(jué)得沒(méi)有價(jià)值。

對(duì)電壓有感覺(jué)而對(duì)電流無(wú)感覺(jué)，這與電壓容易測(cè)量而要測(cè)電流就難一些恐怕是有關(guān)的。萬(wàn)用表是每個(gè)電子從業(yè)者幾乎都會(huì)用到的工具，需要測(cè)量電壓時(shí)直接將表筆接觸兩個(gè)點(diǎn)就行了，要測(cè)電流卻必須先將電路斷開(kāi)再串入電表，操作起來(lái)確實(shí)是要費(fèi)事一些。容易的事就做得多，相應(yīng)的感也就多，覺(jué)就容易產(chǎn)生，反之亦然，所以我們需要多一些了解具體事物的機(jī)會(huì)。
利用歐姆定律，我們可以在電流通路上串入電阻來(lái)將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，利用測(cè)得的電壓差來(lái)了解流過(guò)電流的大小，但是這個(gè)壓差會(huì)帶來(lái)?yè)p耗，損耗大了又會(huì)發(fā)熱嚴(yán)重，所以這個(gè)用來(lái)測(cè)量電流的電阻就不能太大，相應(yīng)的壓差也就比較小，要看清它就常常需要將電壓放大，所以我們需要引入電壓放大器，而且其輸入應(yīng)當(dāng)是差分的，因?yàn)檫@個(gè)測(cè)量電阻所處的位置可能有各種不同的電位，非差分放大器所受到的局限會(huì)比較大，差分放大器就比較靈活了，適應(yīng)的電壓范圍會(huì)比較寬，具體電位的影響到了輸出端時(shí)已經(jīng)不見(jiàn)了。RT6052 作為一款電流傳感器，它的核心部分就是以上面所說(shuō)的方式來(lái)設(shè)計(jì)的。

這是 RT6052 的內(nèi)部電路框圖，中間的放大器以 VIN+ 和 VIN- 之間的壓差（最大為 150mV）作為輸入，它們可以有 2V~80V 的共模電壓，也就是說(shuō)用來(lái)將電流轉(zhuǎn)換為電壓的檢測(cè)電阻可以串接在電位高達(dá) 2V~80V 的電路上，兩個(gè)輸入端之間的壓差經(jīng)過(guò) 100 倍的放大以后在 OUT 端再原汁原味地呈現(xiàn)出來(lái)，再要分辨細(xì)節(jié)就很容易了，后面可以連接 A/D 轉(zhuǎn)換器將電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)，經(jīng)標(biāo)定以后就可以知道具體的電流值了。
RT6052 OUT 端的輸出電壓最高可以達(dá)到比其 VCC 端的供電電壓低 0.15V，最低則為 350mV（最大值，典型值為 4mV），而 VCC 端容許的工作電壓范圍為 2.9V~18V，所以它可以有很寬的輸出電壓范圍。

上圖是 RT6052 以 18V 電源供電時(shí) VIN 輸入與 OUT 輸出電壓之間的關(guān)系曲線，可見(jiàn)在輸出電壓在達(dá)到滿幅度以前輸入與輸出之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系是非常好的，更高的輸入電壓會(huì)使輸出電壓鉗位在略低于供電電壓的地方而不會(huì)發(fā)生任何變化。這個(gè)測(cè)試是在兩個(gè)輸入端的共模電壓等于 12V 的情況下獲得的，我們從輸出中不能得到與之相關(guān)的任何信息，因?yàn)楣材ｋ妷旱挠绊懸呀?jīng)被消除了。
使用 A/D 轉(zhuǎn)換器將 RT6052 輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)可獲得準(zhǔn)確的電流信息，而很多應(yīng)用并不需要這樣去做，它們可能只是需要隨時(shí)保持對(duì)某個(gè)負(fù)載的電流消耗的感知，一旦發(fā)現(xiàn)超過(guò)某個(gè)閾值時(shí)就予以報(bào)警或是切斷電路以實(shí)施保護(hù)，這時(shí)候 RT6052 的另外一個(gè)部分就可以發(fā)揮作用，因?yàn)樗且粋€(gè)開(kāi)漏輸出的比較器，可對(duì)輸入電壓是否越限進(jìn)行監(jiān)測(cè)并輸出結(jié)果，其輸出狀態(tài)還具備鎖存功能，這種功能又可以使用 RESET 端子予以復(fù)位或是消除，這樣就可以根據(jù)不同的需求采取不同的策略來(lái)進(jìn)行應(yīng)用。

這是一個(gè)應(yīng)用示意圖，負(fù)載 Load 的供電電壓可在 2V~80V 范圍內(nèi)，串接在供電路徑上的電阻 RSHUNT 將負(fù)載消耗的電流轉(zhuǎn)換為與之對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè) RC 電路構(gòu)成的濾波器消除紋波后進(jìn)入RT6052 的輸入端，從 OUT 端出來(lái)的放大了一百倍的信號(hào)通過(guò)一個(gè)電阻分壓器被送入比較器與 0.6V 的參考電壓進(jìn)行比較，當(dāng)負(fù)載電流較小時(shí)，OUT 端電壓較低，CMPI 端的輸入電壓低于 0.6V，CMPO 端子內(nèi)部的 MOSFET 處于對(duì)地導(dǎo)通狀態(tài)，所以  CMPO 表現(xiàn)為低電平，外接的晶體管 Q1 截止、Q2 導(dǎo)通，負(fù)載 Load 得電工作。當(dāng)負(fù)載 Load 消耗電流過(guò)大時(shí)，OUT 端輸出電壓較高，CMPI 端電壓高于 0.6V，CMPO 端內(nèi)部的 MOSFET 變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)，外接晶體管 Q1 在經(jīng)由 R1 提供的電流驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入飽和狀態(tài)，其集電極的電壓變低，Q2 截止，負(fù)載 Load 的電流回路被截?cái)?，電流過(guò)大的狀況便消失不見(jiàn)了。由于 RT6052 的比較器輸出在狀態(tài)變換后具有狀態(tài)鎖存功能，此后它將持續(xù)處于這一狀態(tài)，直到將 RESET 端的輸入電壓變?yōu)榈碗娖揭院蟛拍芟?，這種特性就很像電力系統(tǒng)里使用的空氣開(kāi)關(guān)，過(guò)大的電流會(huì)造成拉弧斷電，必須人為干預(yù)以后才能恢復(fù)供電，使用起來(lái)就非常安全。在這個(gè)應(yīng)用中，RT6052 的供電電壓為 4.5V~5.5V，我們可以理解為常見(jiàn)的 5V，所以它能正確響應(yīng)的最大輸入電壓為 5V/100=50mV，我們根據(jù)這個(gè)數(shù)據(jù)和容許負(fù)載消耗的電流大小并增加一定的余量就可以根據(jù)歐姆定律知道電流檢測(cè)電阻 RSHUNT 的阻值應(yīng)該是多少。

如上圖所示，只要 CMPI 端電壓高于 0.6V，CMPO 端即可被拉高，此結(jié)果與 RESET 端狀態(tài)無(wú)關(guān)。如果 RESET 端處于低電平，CMPI 端電壓回落到 0.6V 以下后 CMPO 也隨之變?yōu)榈碗娖剑绻@一變化發(fā)生在 RESET 處于高電平的狀態(tài)下，CMPO 端就會(huì)繼續(xù)維持被拉高的狀態(tài)，直到 RESET 變?yōu)榈碗娖揭院?CMPO 端才會(huì)變?yōu)榈碗娖?，也就是說(shuō)在  RESET 為低電平時(shí)該比較器表現(xiàn)為一個(gè)普通的比較器的樣子，RESET  為高電平以后，這個(gè)比較器就是一個(gè)有輸出狀態(tài)鎖存能力的比較器了，你可以用出現(xiàn)在 RESET 端的低電平將其鎖存的狀態(tài)予以清除。為什么要這樣設(shè)計(jì)呢？想想咱們家中使用的空氣開(kāi)關(guān)的作用，如果電路上的負(fù)載過(guò)重或是發(fā)生了漏電的情形，及時(shí)斷電才是保證安全的最佳措施，你需要找電工對(duì)電路進(jìn)行安全檢查并排除故障或問(wèn)題，此后再加電才是安全的，而 RT6052 的設(shè)計(jì)就與此類似。
作為一款具有電流傳感器功能的器件，確保電流檢測(cè)的精度是非常重要的。影響檢測(cè)精度的因素有哪些呢？電流檢測(cè)電阻的阻值誤差、放大器輸入端的偏置電壓誤差、放大器的增益誤差、供電電壓的不同造成的誤差、輸入端共模電壓造成的誤差、輸入端偏置電流所造成的誤差及非線性誤差都需要被考慮進(jìn)去，這些概念對(duì)于不太了解運(yùn)算放大器和相關(guān)應(yīng)用的人來(lái)說(shuō)會(huì)有一些困難，但又非常重要，要把它們描述清楚也不是一件容易的事，好在 RT6052 的規(guī)格書對(duì)此已有涉及，相關(guān)的參數(shù)也能滿足常規(guī)應(yīng)用的需求，本文限于篇幅限制就不再贅述，有興趣的讀者可以點(diǎn)擊文末的閱讀原文去查看規(guī)格書，如果真有必要，我以后再寫文章對(duì)此進(jìn)行詳述，本文就到這里打住了。

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