Verwenden eines Multiplexers für eine Stromerfassung mit hohem Dynamikbereich

Beginnen wir mit der Beantwortung Ihrer Frage:

Sie benötigen eine Make-Before-Break-Lösung, damit der Wechsel vom Aktiv- in den Ruhezustand nicht gestört wird. Es gibt analoge Schalter und Muxes mit dieser Fähigkeit, aber es könnte schwierig sein, sie sofort zu finden.

Wenn Sie nichts Passendes finden, können Sie zwei analoge Schalter verwenden und sicherstellen, dass Ihre MCU einen einschaltet, bevor sie den anderen ausschaltet.

Bei 250 Ohm erhält es jedoch bei 30 mA -2,5 V von einer 5-V-Versorgung, was mathematisch funktioniert, aber offensichtlich nicht realistisch ist, sodass es sich im Grunde ausschaltet. Sie müssen sich dessen bewusst sein, also müssen Sie dem Aufwachen mit Ihrem Messgerät zuvorkommen, oder Sie verlieren die Kontinuität, was Messungen dieser Art normalerweise ungültig macht.

Sie müssen sich auch der Menge an Rauschen bewusst sein, die in der Welt vorhanden ist, und der Anstrengung, die Sie benötigen, um ein klares Signal aus allem im Bereich von einem mV oder darunter zu erhalten. Es kann getan werden, es muss nicht einmal in Bezug auf die Anzahl der Komponenten schwierig sein, aber es erfordert ernsthafte Aufmerksamkeit und ein Bewusstsein für Offset-Spannungen und -Ströme sowie Stromschleifen und Masseebenen usw.

Wenn Sie diesen Dynamikbereich ernsthaft erreichen möchten, ist es meiner Meinung nach besser, einen Stromverstärkungs- oder Stromerfassungschip mit wirklich gut gestalteten Innereien zu finden, mit dem Sie einen einzelnen Widerstand mit extrem niedriger Offset-Spannung verwenden können und ergibt einen gespiegelten Ausgangsstrom. Sie können dann diesen gespiegelten Strom über zwei verschiedene Widerstände messen, ohne oder mit geringem Risiko von Problemen, die durch Ihre analogen Schalter und deren Innenwiderstand verursacht werden.

Ein solcher Chip, der auf einen sehr schnellen ersten Blick (ich habe im Grunde keine Zeit mehr) vielversprechend aussieht, aber eine gründliche Prüfung des Datenblatts erfordert, wäre:

• ZXCT1110 von Diodes Inc
• FAN4010 von Fairchild

Ich werde mit dem FAN4010-Datenblatt entwerfen, weil ich denke, dass es zu diesem Zeitpunkt etwas besser aussieht:

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Sie möchten, dass die Spannung an den Sense-Pins so weit wie möglich maximiert wird, da sie dadurch viel störsicherer wird. Wie Sie sehen können, habe ich 10 Ohm verwendet, was bereits einen Abfall von 0,3 V bei 30 mA bedeutet, was möglicherweise zu viel für Sie ist, aber 10 Ohm ist immer noch relativ niedrig. Wir werden uns später um eine mögliche Lösung dafür kümmern.

Bei 10 Ohm beträgt die Messspannung 10 uV für 1 uA Drain, was genau 1 uA Ausgangsstrom bedeutet. Nun, nicht genau, denn der Verstärker hat 5 nA Eingangsstrom, den er zum Laststrom addiert (aber das sind 0,5 %) und einen Offset-Ausgangsstrom von 2 uA. Das Lustige ist, dass Sie bei kleinen Signalen (<10 uA) einen bekannten Offset-Strom von der Messung abziehen können und trotzdem eine Genauigkeit von 5 % erreichen. Sie lassen also das Gerät den Offset-Leckstrom durch den hochohmigen Widerstand bei ausgeschalteter Last messen (dazu später mehr) und dann diese Spannung von jeder Messung über diesen größeren Widerstand subtrahieren.

1 uA durch den 10-kOhm-Widerstand würden 10 mV werden, auch hier müssen Sie bei so niedrigen Strömen besondere Aufmerksamkeit auf das Design richten, um Rauschen fernzuhalten, aber 10 mV sind einfacher durch die Verstärkung zu führen als bereits 0,25 mV. Und Sie könnten möglicherweise 50 kOhm oder 100 kOhm verwenden, je nachdem, welche Bereiche Sie messen möchten und ob Sie später auch einen Verstärker mit 1x/100x wählbarer Verstärkung hinzufügen.

Wenn Sie 30 mA in Ihre Last bekommen, würden Sie 0,3 V Messspannung erhalten, was 3 mA Ausgangsstrom entspricht. Das würde eine riesige Spannung über den 10kOhm verursachen, aber der Verstärker wird nur hoch "clippen", während die Last immer noch ihre 30mA ohne Probleme bekommt: Ein Risiko behoben. Dann können Sie auf den 100-Ohm-Widerstand umschalten, der Sie plötzlich auf 0,3 V (oder 10 mV pro mA) zurückbringt, was bei ein wenig Aufmerksamkeit wieder einfach genug ist, um damit zu arbeiten.

Wenn Sie den Diodes Inc-Chip verwenden würden, haben Sie einen höheren möglichen Offset-Strom, aber auch eine höhere interne Verstärkung, also passen Sie dies entsprechend an. Der Grund, warum ich mich für den FAN4010 entschieden habe, ist, dass er bis zu 2,5 V über den Messwiderstand (gegenüber 0,8 V) zulässt, aber eine niedrigere maximale Eingangsspannung hat (6 V gegenüber 40 V), also ist alles ein Kompromiss.

Nehmen wir an, Ihr Gerät arbeitet mit 3,3 V und Sie möchten die beste Rauschleistung, dann sollten Sie mit dem FAN versuchen, bei Ihrem Spitzenstrom mindestens 1 V über den Messwiderstand zu bringen (dies ermöglicht auch einen gewissen Spielraum, bevor der Chip bricht). ). Das ist natürlich ziemlich schwer, denn dann bekommt dein Gerät nur 2,3V, oder? Nicht unbedingt, aber um das vollständig zu lösen, wird viel Mathematik und Schreiben erforderlich sein, und meine Zeit läuft für heute ab, also zeige ich Ihnen eine Lösung und sage Ihnen, worauf, wie und warum Sie achten müssen:

^{Simulieren Sie diese Schaltung}

Die 33 Ohm geben Ihnen etwa 1 V bei 30 mA, während sie bei 3,3 V Ausgang bis zu 70 mA zulassen, bevor gegen Regeln aus dem FAN-Datenblatt verstoßen wird.

R4 und R5 sind das Rückkopplungssystem für den einstellbaren Regler und erhalten die Rückkopplungsspannung von dem Punkt, an dem Ihre Last angeschlossen ist. C6 ist ein kleiner Kondensator, damit der Regler nicht zu schnell auf Änderungen des Laststroms reagiert, oder Sie können seltsame Schwingungen bekommen. Seine Anforderung kann von dem Regler abhängen, den Sie letztendlich wählen (wahrscheinlich kein LM317).

Die Rückkopplungswiderstände müssen sehr groß sein, da Sie sonst zu viel Leckstrom hinzufügen, um dies ausgleichen zu können. Natürlich wären insgesamt etwa 1 MOhm großartig, da es sich dem Offset des aktuellen Sensorchips nähert. Aber Sie müssen einen Regler finden, der solch große Widerstände unterstützt. Ich bezweifle derzeit, ob der abgebildete LM317 mit 100kOhm-Widerständen gut wäre, aber aufgrund meiner begrenzten Zeit habe ich keine Zeit, es nachzuschlagen. Was Sie suchen, ist ein sehr kleiner Leckstrom am Adjust-Pin oder ein sehr stabiler, den Sie einrechnen können.

Da der einstellbare Regler seine Rückmeldung vom Ausgang des Stromsensors erhält, versucht er, die Eingangsspannung so zu regeln, dass die Last immer etwa 3,2 V sieht. Natürlich sind einige Kapazitäten erforderlich, um zu verhindern, dass es bei kleinen Laständerungen ständig umkippt. Die von mir gewählten Werte sind Schätzungen, und Sie können die 100 nF am Lastausgang möglicherweise weglassen, wenn Sie den Rückkopplungskondensator ein wenig optimieren. Wenn Sie das eingeben, werden Sie die aktuellen Messungen automatisch leicht mitteln (sie mit der Zeit etwas glätten). Das kann wünschenswert sein oder auch nicht, das liegt an Ihnen.

In diesem Schema habe ich auch den Lastschalter hinzugefügt, den Ihre MCU steuern kann, um mit ausgeschalteter Last zu beginnen, dann warten Sie eine Weile, bis alle Kondensatoren vollständig stabil sind, dann führen Sie eine Messung durch, um alle fast statischen Offsets in zu messen Niederstrom-Messsystem. (Verursacht durch den FAN-Chip und die Rückkopplungswiderstände). Sie können diese Messung sogar verwenden, um zu sehen, ob alles in Ordnung ist, da Sie die Stromaufnahme kennen, die Ihre Rückkopplungswiderstände verursachen sollten, und wo die Grenze des Offsets des Lüfters liegt.

Dieser Lastschalter kann ein P-Mosfet sein, das direkt von einem 3,3-VI/O-Pin gesteuert oder mit einem geeigneten N-Mosfet von jedem Spannungspegel gepuffert wird.

Ich habe dem Spannungsregler (R6) einen Ladewiderstand hinzugefügt, falls Sie einen Typ finden, der eine Last von mindestens 1 mA benötigt, stellt dieser Widerstand (vor der Strommessung) sicher, dass die Last immer über 1 mA liegt.

Eine kleine Anmerkung:

Wenn Ihr Gerät mit 5 V läuft und Sie den späteren Trick verwenden, müssen Sie auf einen Messwiderstand von etwa 20 Ohm oder dergleichen verringern oder auf den Diodes Inc-Chip umschalten, da Sie mit 1 V am Messwiderstand den maximalen Eingang von 6 V erreichen Spannung für den FAN-Chip, so dass ein kleiner Fehler, eine gewisse Erwärmung oder eine unvorhergesehene Spitze den Regler dazu zwingen kann, eine Spannung zu erzeugen, die den FAN beschädigen kann.