[SAM L21]电流测量电路分析

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SAM L21 Xplained开发板是ATMEL第一款支持电流测量的开发板,可以使用Data Visualizer查看L21的运行功耗SAM L21 Xplained开发板是怎样测量电流的?下面和大家一起进行分析一下。

我们先下载SAM L21 Xplained开发板的用户指南, 这是一个zip文档,展开后打开SAML21_Xplained_Pro_design_documentation_release_rev3.pdf 这个文件,它包含了原理图、PCB、丝印图、元件表等。我们重点看原理图,下面的图都来自这个pdf文件中的原理图部分。

先看下图:


图一

这是SAM L21 Xplained开发板的电流测量部分的框图。电源从CURRENT_MEASUREMENT_IN送到CURRENT_IN,经过左上角的模拟前端电 路,从CURRENT_OUT输出。这里就完成了电流采样、信号放大等功能。然后通过Q500,连接到CURRENT_MEASUREMENT_OUT, 这里最终通过短路块连接到SAM L21芯片。

SAM L21 Xplained开发板上使用了一颗独立的SAMD20E17A芯片进行电流测量控制,它在上图的左下方。SAMD20完成输出控制、电流测量、采样控制、电流校正等功能。SAMD20将采样的数据送到EDBG,在和上位机软件通信。

我们在来分析一下具体的电流采样电路,它是上图中左上角电路的一部分,上面的标号是对应的。

图二

待测的电流通过CURRENT_IN输入,经过电阻R702(100Ω),然后输出到CURRENT_OUT,这是小电流回路。也可以电阻 R700(0.1)和Q700,这是为了测量大电流。Q700是IRLML6402,它的通断由HIGH0CURRENT_RANGE_DISAB信号控 制。IRLML6402的最大导通电阻是0.065Ω,典型是0.05Ω。因为MOS管的RDS不是恒定值,这也说明电流的测量不会非常精确。

R702的下方是低噪声放大器AD4528-1,它和Q701、R702、R704、R707一起组成了电流放大电路,
这是一个比较典型的运放电路检测电路,这个放大电路怎样分析?大家先想一想,然后在和我的分析对照一下。
 

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首先,我们可以从图中得出:

V- = Vin - IL * Rs
V+ = Vin - IL' * R704

其中IL是待测电流,IL'是R704上的电流,也就是R707上的电流。Vin是CURRENT_IN上的输入电压,V+和V-是运放两个输入端的电压。Rs是采样电阻,当Q701不导通时,Rs = R704 = 100;当Q701导通时,Rs大约等于0.15。

因为运放的虚短特性,运放的两个输入端电压 V+ = V-。所以:

IL * Rs = IL' * R704
IL' = IL * Rs / R704

因此R707上的电压

VR707 = IL' * R707 = IL * R707 * Rs / R704 = IL * 20 * Rs

如果Rs = 0.15,那么VR707 = 3 * IL。
如果Rs = 100,那么VR707 = 2000 * IL。

 

 

 


在看看电流放大电路的另外一部分:



图三


这部分的输入是图二的输出VR707,然后通过两个不同增益的同相放大电路,产生两路输出。


GAIN_HIGH = 1 + R703 / R705 = 15.7

GAIN_LOW  = 1 + R708 / R709 = 2

因此:

 

 

 

 

 

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VH = 15.7 * VR707 = 314 * IL * Rs
VL = 2 * VR707 = 40 * IL * Rs

VH和VL送到SAMD20的PA08/PA05进行ADC转换,就可以计算出实际的电流。

 

 




为了提高ADC的精度,SAM D20的ADC使用了精密外部基准芯片LM4041-ADJ。


图四
参考电压的计算公式是:VRef = 1.24 * (1 + R606 / R605) = 2.705V

除了电流采样电路,还有校准电路。它相当于用程序控制MOS,动态切换不同的负载,有点自动换量程的感觉,这里就不再进行分析了,大家自行研究一下。


图五

从电路成本看,使用AD4528-1不会比专用的电流检测芯片便宜(比如EFM32开发板上就是使用LTC6102检测电流),精度也不会更高,但是更加灵活,可以选择不同增益,可以切换到校准电路。

 

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