业界最快的采样速率数字电流检测放大器

在本设计方案中，介绍了MAX40080（精密、快速采样速率、数字检流放大器）的主要特性，并结合它们为各行各业的实际应用带来的好处。具体而言，该设计解决方案描述了快速的内部ADC采样速率、器件的智能模式以节省功耗，以及可减小失调误差的可编程输入范围。

介绍

数字电流检测放大器（CSA）在过去几年中在广泛的应用中变得非常流行。除了测量电流外，数字CSA还使用测量电压，使用内部模数转换器（ADC）对数据进行数字化，并以数字格式报告数据，通常为I2C 或 SPI。一些CSA还计算功率作为电流和电压的数字乘法。

与传统的模拟输出CSA相比，其优势显著。首先，有些系统必须在不同点测量电流，并将所有这些测量值连接到一个公共的电流。2C 或 SPI 总线在微控制器 （MCU） 上保存多个 GPIO 引脚。数字CSA还可以将ADC保存在MCU内部，使其释放出来用于测量系统电流和/或电压以外的目的。最后，电流测量通常发生在系统中物理上远离MCU的点。在这种情况下，传输数字数据比检测远距离模拟电流或电压更可靠且抗噪声。

快速采样率可准确监控电流浪涌

市场上的大多数数字CSA都集成了低采样速率和低带宽的ADC，通常分别在低千采样率（ksps）和千赫兹（kHz）范围内。这使得它们适用于电流不经常变化的应用。但是，如果电流突然变化，系统监控将错过它。相比之下，MAX40080集成了13位ADC，可编程采样速率可高达1Msps。

以下是两个实际应用示例，其中快速采样率提供了显著的优势。

在第一个例子中，快速采样率数字CSA测量快速电流浪涌并优化大型处理器的系统性能。它监控功耗，以最大限度地提高具有多个 CPU、内存、GPU 等的系统的性能。它通过监控电流浪涌并快速采取行动来观察系统中哪些模块最耗电。

在第二个示例中，快速采样率数字CSA可实现锂离子电池的安全快速充电。在充电过程中，金属锂（锂枝晶）（1）在负极上形成，最终成为电池故障的来源。为了防止树突形成，电池充电器使用一系列电流脉冲而不是固定的稳定电流。快速采样率数字CSA能够精确测量这些电流脉冲。

MAX40080电流测量具有高达50kHz的信号带宽。当采样速率高达1Msps时，可以使用集成的移动平均数字滤波器对电流和电压测量进行过采样并提高其精度。这种滤波器可通过 I 进行编程2C 命令寄存器，它们的范围从平均 8 个样本到 128 个样本，中间的步进增量为 x2（8、16、32、64 和 128 个样本之间的平均值）。平均过程降低了本底噪声并提高精度。（2）

智能模式可实现显著的节能效果

MAX40080具有快速采样速率和高性能，当器件完全工作时，需要2.7mA的电源电流。与往常一样，速度和性能是以功耗为代价的。然而，该器件提供智能模式，可有效降低功耗，使MAX40080甚至适用于平板电脑、智能手机和笔记本电脑/笔记本电脑等便携式消费类应用。

首先，有一个I2C 可编程唤醒电流门限。MAX40080编程为低功耗模式，电流消耗仅为52μA。在这种模式下，除了每50ms进行一次短暂唤醒以进行一次电流测量并将其与唤醒阈值进行比较外，大多数功能都进入睡眠状态。如果此类测量低于唤醒阈值，器件将保持低功耗模式。只有当测量值高于阈值时，设备才会自动切换到所有功能都处于活动状态的活动模式。这种智能模式在只关心监控系统中不需要的过流情况的应用中非常有用。在这种情况下，唤醒门限可以设置为略低于过流门限，从而节省大量系统功耗。当电流超过唤醒门限时，器件进入活动模式，当超过过流门限时，MAX40080将在ALERT_输出端产生中断报警。

其次，I 上存在内部超时2C，如果长达一分钟没有收到主机命令，MAX40080将自动进入待机模式，功耗降至2.7μA。

最后，MAX40080具有四种额外的工作模式，称为“选择性有源模式”，工作在固定的低采样速率（4sps至1/4sps），功耗极低。该器件可以编程为在预计不会产生快速电流浪涌的时段进入这些模式。例如，在夜间的数据中心系统中。请注意，即使在这些“选定的活动模式”下，过流阈值和报警生成仍然有效。如果发生过流情况，仍会被检测到，但不会像器件处于正常活动模式且采样速率快那样快。

图1.MAX40080智能模式最大限度地降低了功耗。

可编程输入范围和极低失调提高了系统精度

在需要测量两个不同电流电平的应用中，最低电平的精度通常会受到影响，因为它受到电流检测放大器和随后ADC失调电压的限制。

一个实际的例子是使用集成BLE的MCU的物联网传感器系统，其中MCU定期唤醒，进行一次测量并以无线方式传输。当MCU处于活动状态时，系统电流在几十毫安的范围内，但是当MCU休眠时，系统电流下降到微安范围内。由于这两个电平相差几个数量级，睡眠电流测量受到失调限制。

MAX40080具有±10mV或±50mV的可编程输入范围，可通过I选择。2C 端口。在内部，这些范围分别对应于125V/V和25V/V增益选项。这两个增益选项提供了测量大电流和小电流的灵活性，同时通过降低ADC失调误差来保持系统精度。事实上，由于采用了两种增益选项，大电流和小电流都可以接近ADC满量程范围，从而使ADC失调误差可以忽略不计。

MAX40080的失调电压贡献已经很低，在25°C时最大电压仅为25μV，因此可以使用小电阻值，从而降低功耗。

结论

MAX40080数字CSA是一款多功能器件，在广泛的市场应用中占有一席之地。数字输出具有比模拟输出更高的抗扰度，并允许在同一数字总线上连接多个电流检测器件。这释放了MCU上的GPIO引脚，也释放了ADC通道。

由于具有快速采样速率，MAX40080可以测量电流浪涌和快速瞬变，例如具有强大处理器的计算系统和电池充电器中的电流浪涌和瞬变。同时，它还具有智能模式，可降低功耗，并使该设备对智能手机、平板电脑和笔记本电脑等电池供电系统具有吸引力。可编程输入范围和极低的电压失调提高了大电流和小电流测量的精度。

审核编辑：郭婷