Power Profiler Kit II 滞回比较器在硬件电流采样量程切换上的应用

本期分享的电路是Power Profiler Kit II上的电路,电路图是产品及技术参数如下所示:

常规我们做电流采样的量程切换通常是使用单片机的IO控制开关(例如MOS或继电器等)来切换采样电阻。例如下图中之前分析的几个电路都是采用软件检测电流然后IO去控制MOS管做采样电阻的切换来切换电流测量量程:

而本期的Power Profiler Kit II采用的是硬件切换,其采用了滞回比较器作为量程切换,从而不需要IO控制开关做切换(可能切换速度相对软件IO去切换更快)。所以在电路分析之前,我们需要简单了解一下滞回比较器,常规比较器由于没有引入正反馈,所以只存在一个判决门限,比如下图中,当V+大于1.25V则输出电压为高电平;当V-小于1.25V则输出电压为低电平。

而滞回比较器通过引入正反馈的机制,将输出端的一部分电压反馈回去,从而达到滞回比较的目的,这部分内容不赘述,使用叠加定理或者基尔霍夫电流电压定律都可以求解:

本期要分析的电路主要是这个滞回比较器来控制采样电阻的切换部分,整体的采样电阻和信号调理电路图如下所示:

首先看采样电阻部分,电路采用的五颗不同的采样电阻,对应五个量程,如下所示,当电流最小档位200nA~50uA时,PMOS均为关断,当第二档50uA~500uA时,PMOS Q5导通,R42和R41并联大概采样电阻为99.09Ω(忽略导通Rdson的话),从而改变采样电阻,以此类推其他三个档位:

然后仪表放大器将采样电阻两端的电压放大40倍,下图中的仪表放大器的增益大概为40.095倍。可以看到,放大40倍后,每个档位对应的电压范围是:

基本是第一个档位是8mV~2V,第二、三、四个档位0.2V~2V,第五个档位时0.1V~2V。手册里的电流量程范围的划分是估算的值(因为我们通过计算也可以看到,如果按照严格手册去计算,量程是不对的,根据后边的滞回比较器可以计算出实际的量程划分。)

当上电时,首先第一个1k的大采样电阻起作用,所有的比较器输出都是高电平,从而第一个比较器的判决门限是2.02V(所以也和刚才计算的2V量程范围一致),也就是第一个量程只要超出,就会导致第一个比较器输出低电平(进入第二个量程50uA~500uA)。下图为判决门限的仿真:

然后假如超过了2V,就会导致进入第二个量程范围,也就是第一个比较器输出低电平(-2V),MOS管Q5导通,然后采样电阻变为R41//R42。

此时比较器那边输出是如下所示,可以看到由于第一个比较器输出改变为了-2V,所以第一个比较器的判决门限也会随之改变为0.2V,也就是如果此时仪表放大器输出小于0.2V,那么电路就会从第二个量程范围切换到第一个量程范围;第二个比较器的判决门限也因为第一个比较器的输出变化而改变为了2V,也就是只要仪表放大器输出大于2V,那么第二个比较器就会输出低电平,从而让MOS管Q7导通,进入第三个量程,判决门限仿真如下:

以此类推的量程,不得不说这滞回比较器串联互相影响判决门限这种思路做量程切换还是很巧妙(也很绕,所以我也就只写成这样了,不是很容易能写的详细。也还请谅解。)另外本电路是从官网下载的,资料很齐全,原理图,PCB,还有用户手册,感兴趣的朋友可以评论区获取资料。

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资料明细:PCA63100-Power Profiler Kit II - HW Files - 1_0_1.zip,PPK2_User_Guide_v1.0.1-1.pdf
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