具有快速采样速率的数字电流检测放大器

本文将介绍具有快速采样速率的高精度数字电流检测放大器MAX40080的关键特性，并指出这些关键特性为各种行业的实际应用带来的优势。文中将重点介绍内部ADC的快速采样速率、可节省功耗的智能模式及可降低失调误差的可编程输入范围。

简介

过去几年中，数字电流检测放大器(CSA)在各种应用中越来越受欢迎。除了测量电流，数字CSA还可用于测量电压，通过内部模数转换器(ADC)对数据作数字化处理，并以数字化格式通讯数据，通常的接口为I2C或SPI。一些CSA还使用电流和电压的数字量做乘法来计算功率。

与传统的模拟输出的CSA相比，数字CSA有着明显的优势。首先，有些系统必须在不同的点测量电流，因而将所有这些测量连接到共同的I2C或SPI总线，便可在微控制器(MCU)上节省几个GPIO引脚。此外，数字CSA还可节省MCU内部对于ADC的使用，使其能够用于测量系统电流和/或电压以外的其他用途。最后，由于电流通常是在远离MCU的系统点上进行测量，在此情况下，相比于检测远距离的模拟电流或电压，传输数字数据更具鲁棒性和抗噪能力。

快速采样速率可精确监控电流浪涌

市面上大部分数字CSA集成的是低采样速率和低带宽的ADC，通常分别处于低kSPS和kHz范围只适合电流不会经常发生变化的应用。然而，如果电流突然发生变化，系统监控会难以察觉。相比之下， MAX40080集成了可编程采样速率高达1Msps的13位ADC。

以下是两个实际应用示例，其中快速采样速率具有显著优势。

在第一个示例中，具有快速采样速率的数字CSA可测量快速电流浪涌，并优化大型处理器中的系统性能。对于集成了多个CPU、存储器、GPU等器件的系统，它会监控功耗以便尽可能提高系统性能。而且，它会通过监控电流浪涌来观察系统中哪些模块最耗电并快速作出应对。

在第二个示例中，具有快速采样速率的数字CSA有助于锂离子电池的安全快速充电。充电过程中，金属锂（锂枝晶）(1)会在负极上逐渐形成，最终成为电池故障源。为防止锂枝晶形成，电池充电器使用一连串的电流脉冲，而不是固定的稳定电流。具有快速采样速率的数字CSA可以精确测量这些电流脉冲。

MAX40080的电流测量具有高达50kHz的信号带宽。在采样速率高达1Msps的情况下，通过使用集成移动平均数字滤波器，可对电流和电压测量进行过采样，并提高测量精度。此类滤波器可通过I2C命令寄存器进行编程，平均可处理8个到128个样本，步进增量为x2（8、16、32、64和128个样本的平均值）。平均过程降低了本底噪声并提高了准确度。(2)

智能模式能够显著节省功耗

为达到快速采样速率和高性能，当MAX40080处于完全活动状态时，需要2.7mA的电源电流。通常，速度和性能都以功耗为代价。然而，MAX40080提供了可有效降低功耗的智能模式，使MAX40080甚至适用于便携式消费电子应用，如平板电脑、智能手机和笔记本电脑/台式电脑。

首先，它具有I2C可编程唤醒电流阈值。MAX40080在低功耗模式下进行编程，此时电流消耗仅为52µA。在此模式下，大多数功能都处于休眠状态，但会每50ms进行一次短暂唤醒以进行一次电流测量，并将测量值与唤醒阈值进行比较。如果测量值低于唤醒阈值，则MAX40080将保持低功耗模式。仅当测量值高于阈值时，MAX40080才会自动切换到所有功能处于激活状态的活动模式。对于主要目的是监控系统中是否存在意外过流的应用，智能模式能发挥作用。在这种情况下，可以将唤醒阈值设置为略低于过流阈值，从而显著降低系统功耗。当电流超过唤醒阈值时，MAX40080将进入活动模式；当电流超过过流阈值时，MAX40080将在其ALERT_输出上产生中断报警。

其次，I2C上具有内部超时功能，如果长达1分钟内没有收到主机命令，MAX40080将自动进入待机模式，将功耗降至2.7µA。

最后，MAX40080具有四种额外的工作模式，称为“选择性活动模式”，采用从4sps到1/4sps的低固定采样速率，且功耗极低。当预计不会出现快速电流浪涌时，可将MAX40080切换到这些模式。例如，数据中心系统处于夜间时。请注意，即使在这些“选择性活动模式”下，过流阈值和报警发生器仍发挥作用。如果发生过流，仍会检测到过流情况，但不会像MAX40080在正常活动模式和快速采样速率时那样快。

图1.MAX40080智能模式将功耗降低。

可编程输入范围和超低失调增强了系统精度

在需要测量两个不同电流电平的应用中，最低电平的精度经常受到影响，因为它受到电流检测放大器和后置ADC的失调电压的限制。

例如，某物联网传感器系统使用集成BLE的MCU，MCU会定时唤醒，进行一次测量并无线传输测量值。当MCU处于活动状态时，系统电流在几十毫安范围内；而当MCU休眠时，系统电流降至微安范围内。由于这两个电平相差几个数量级，休眠电流测量会受到CSA失调电压的限制。

MAX40080具有可通过I2C端口选择的可编程输入范围（±10mV或±50mV），在内部分别对应于125V/V和25V/V增益选项。这两种增益选项可灵活测量大小电流，同时降低了ADC失调误差保持系统精度。事实上，借助这两种增益选项，大电流和小电流均接近ADC满量程范围，使得ADC失调误差可以忽略不计。

MAX40080的失调电压贡献本就很低，在25°C时仅为25µV（最大值），因而可使用较小的电阻值，从而降低功耗。

结论

MAX40080数字CSA是一款多功能器件，适用于各种市场应用。数字输出比模拟输出具有更高的抗扰度，并支持在同一数字总线上连接多个电流检测器件，从而腾出了MCU上的GPIO引脚和ADC通道。

凭借快速采样速率，MAX40080可以测量电流浪涌和快速瞬变，比如搭载强大处理器的计算系统和电池充电器中发生的电流浪涌和快速瞬变。同时，它还具有智能模式，能够降低功耗，因而非常适合智能手机、平板电脑和笔记本电脑等电池供电系统。可编程输入范围和超低失调电压提高了在测量大电流和小电流时的精度。

审核编辑：郭婷