【導(dǎo)讀】本文從電流檢測 (CS) 的角度重新分析了蜂窩無線基礎(chǔ)設(shè)施 (WI) 中的主要電子終端設(shè)備。另外還探討了此類設(shè)備中的幾種 CS 應(yīng)用。電源塊可以集成到 WI 終端設(shè)備中，也可以是獨(dú)立模塊。不管具體的實(shí)現(xiàn)為何，通常都需要一個(gè)智能電源管理系統(tǒng)來為電池充電并在不同的電源之間提供無縫切換。在此類電源管理系統(tǒng)中，電流和電壓感測是一項(xiàng)不可或缺的功能。
本文從電流檢測 (CS) 的角度重新分析了蜂窩無線基礎(chǔ)設(shè)施 (WI) 中的主要電子終端設(shè)備。另外還探討了此類設(shè)備中的幾種 CS 應(yīng)用。
電源塊中的電流檢測
如圖 1 所示，WI 設(shè)備的電源來自于公用電網(wǎng)或太陽能，有時(shí)還會(huì)將兩者結(jié)合使用。電源通常都依賴電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，以便在斷電期間能夠不間斷地提供服務(wù)，尤其是在偏遠(yuǎn)地區(qū)。由于物理上的可達(dá)性或經(jīng)濟(jì)上的可行性，這些地區(qū)無法僅依靠電網(wǎng)電力。
圖 1. WI 電源方框圖
電源塊可以集成到 WI 終端設(shè)備中，也可以是獨(dú)立模塊。不管具體的實(shí)現(xiàn)為何，通常都需要一個(gè)智能電源管理系統(tǒng)來為電池充電并在不同的電源之間提供無縫切換。在此類電源管理系統(tǒng)中，電流和電壓感測是一項(xiàng)不可或缺的功能。
電流檢測可以在高側(cè)或低側(cè)實(shí)現(xiàn)。為了防止出現(xiàn)故障接地，通常需要 INA240 或 INA241A 等基于分流器的專用高壓電流檢測放大器 (CSA)。TMCS1123 或TMCS1101 等磁性電流傳感器憑借固有的電隔離特性，成為高壓應(yīng)用的理想選擇。TMCS1123 可提供環(huán)境磁場抑制、快速過流檢測，并能夠提供 75ARMS 連續(xù)電流，非常適合接入電網(wǎng)或太陽能。
負(fù)載點(diǎn)電流檢測
典型的 WI 電子系統(tǒng)由具有 12V 至 48V 等電壓范圍的直流母線供電。低電源軌源自總線電壓。
這些低電壓軌滿足一組特定的要求并通常位于所支持負(fù)載的附近，因此稱為負(fù)載點(diǎn) (POL) 電源。根據(jù)測量的重要性或信息量，建議監(jiān)測一個(gè)或多個(gè)此類POL 電源中的電流或電壓。在這種情況下，對 CSA 的主要要求可能包括精度、速度、動(dòng)態(tài)范圍以及相關(guān)分流電阻器上的功率損耗等。
圖 2. 負(fù)載點(diǎn)電流檢測選項(xiàng)
如圖 2 所示，電流可以使用模擬或數(shù)字 CSA 并通過外部或集成式分流電阻，在負(fù)載的任一端進(jìn)行檢測。
CSA 提供了在成本、布板空間和性能方面有參考價(jià)值的匹配電阻器增益網(wǎng)絡(luò)。大多數(shù) CSA 都具有 10 至1000 的固定增益。有些 CSA 提供可配置的增益。例如，INA225 具有可通過兩個(gè)數(shù)字控制引腳配置的增益，而另一些 CSA 具有可通過外部電阻器配置的增益，例如 INA139。
當(dāng)選擇集成模數(shù)轉(zhuǎn)換 (ADC) 和分流電阻器的 CSA 時(shí)，系統(tǒng)集成會(huì)得到進(jìn)一步改進(jìn)。EZShunt? 技術(shù)將分流電阻器集成到了器件的引線框中，這樣通常可減小電流檢測電路的總體外形尺寸。INA700 是一款超小型晶圓芯片級數(shù)字功率監(jiān)測器，具有 40V 共模電壓范圍和 2mΩ引線框電阻，因此可支持 10ARMS。INA780A 是一款稍大的 EZShunt? 產(chǎn)品，采用 QFN 封裝，共模電壓范圍為 85V，引線框電阻為 400μΩ，因此可支持75ARMS。
在為 POL 測量選擇 CSA 及關(guān)聯(lián)的分流電阻器時(shí)，首先要考慮的主要因素是共模電壓、電流范圍、精度和速度。此外，如果需要過流保護(hù) (OCP)，那么集成快速響應(yīng)比較器的 CSA 通常是理想選擇，其中指定了失調(diào)電壓和傳播延遲等系統(tǒng)參數(shù)。與分立式元件相比，此類CSA 可幫助消除一些不確定性，因而能夠簡化設(shè)計(jì)。
若要監(jiān)測多個(gè) POL，或許可以使用 INA4290 或INA4180 等多通道 CSA，因?yàn)檫@些放大器提供四個(gè)模擬輸出通道。當(dāng)設(shè)備中存在微控制器或 FPGA 時(shí)，則通常會(huì)包含一個(gè) ADC 通道以及一個(gè) I2C 等數(shù)字總線。在這種情況下，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)模擬或數(shù)字輸出 CSA 作為 POL 監(jiān)測器。另一個(gè)選擇是使用 INA3221 等多通道數(shù)字監(jiān)測器，這樣既可以釋放控制器 ADC 通道，又能充分利用現(xiàn)有的 I2C 總線。此器件提供了多個(gè)警告和報(bào)警信號，以便在發(fā)生故障時(shí)快速做出響應(yīng)，另外還提供了三個(gè)獨(dú)立通道的電流、電壓或功率信息。
功率放大器中的電流檢測
功率放大器 (PA) 的偏置電流可以根據(jù)最終應(yīng)用的需求、調(diào)制方案和工作級別進(jìn)行調(diào)整。圖 3 展示了一種具有電流檢測功能的典型 PA。
PA通常采用硅 LDMOS 或 GaN 技術(shù)構(gòu)建。無論是從PA 操作的角度來看，還是從總體能效管理的角度來看，電流檢測在 PA 應(yīng)用中都非常重要。在相同的偏置電壓下，PA 偏置電流會(huì)因器件差異而有所不同。另外，偏置電流會(huì)隨溫度而變化。因此，為了讓 PA 控制器能夠精確地控制偏置電流，必須知道電流和溫度信息。偏置電流信息是提高系統(tǒng)效率所必需的，因?yàn)榭傁到y(tǒng)功耗中約有 50% 是 PA 本身消耗的。
AMC7836等集成式功率放大器監(jiān)控系統(tǒng)可以簡化 PA電路設(shè)計(jì)。如前所述，由于器件存在自然差異，因此有時(shí)只知道柵極電壓還不足以實(shí)現(xiàn)精確的偏置電流控制。當(dāng)控制環(huán)路中需要電流檢測功能時(shí)，可以使用單獨(dú)的高壓 CSA（例如 INA290 或INA281）。
AMC7834 等功率放大器監(jiān)控系統(tǒng)是另一個(gè)集成電流檢測功能的選項(xiàng)。借助這類設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步縮小布板空間。
圖 3. PA 偏置和電流檢測
備選器件建議
TI 提供了適合 WI 終端設(shè)備的全系列 CSA 和磁性傳感器，從高壓電源電流和 PA 電流檢測到通用 POL 電流監(jiān)測，應(yīng)有盡有。高壓 INA310A 還提供了集成式比較器和參考輸出，以便滿足 OCP 要求。對于需要出色精度的應(yīng)用，具有 nA 級輸入偏置電流的 INA190 系列器件會(huì)是不錯(cuò)的選擇。在檢測電流很小的情況下，這類器件非常重要。在這些器件中，有些提供了使能引腳來進(jìn)一步降低功耗；有些則提供了 WCSP 封裝選項(xiàng)，用以優(yōu)化布板空間。對于具有低共模電壓要求的應(yīng)用，INA180 提供了速度和整體性能值。INA301 系列器件具有集成式快速比較器和高速放大器。根據(jù) OCP 的需求，可以提供這兩種輸出。
表 1. 備選器件建議
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