利用簡單的電路設計簡化電流監控

使用固定量程的DMM令人沮喪，但這個簡單的設計實例可以實現單一量程內從數μA到超過100mA的電流監控。

本設計實例已被證明非常有用，而且非常簡單。只需三四個元件，就可以在單一量程內監控從數μA到超過100mA的電流。

我開發了一塊基于PIC的電路板，需要監視它從兩粒AA電池抽取的電流。雖然這塊電路大多數時間都處于待機狀態，其升壓轉換器的30μA靜態電流占功耗的主要部分，但它可以快速經歷突發的檢測、顯示和發送狀態，抽取的電流在8mA到100mA之間。使用固定量程的DMM十分令人沮喪，自動量程也由于快速循環時間和很短的工作時間讓我頭疼。下述方法非常有用。

正如二極管公式IF ≅ I0 • exp(eVF/kT)定義的那樣，二極管上的電壓隨著流經的對數電流不斷上升。其中IF是正向電流，IO是反向飽和電流，e是電荷(1.602×10-19 C)，VF是正向電壓，T是溫度(K)，k是波爾茲曼常數(1.380×10-23 J/K)。

根據我們的目的，可以從中提取出以下公式：

VF ∝ logIF (在給定溫度時)

分流二極管

現在，讓我們并一個帶測量儀表的二極管。在電流很低時，它會指示流經儀表而不是二極管的毫安級電流;而在大電流時，它會顯示二極管上的電壓，以及由此得出的電流對數(將二極管想像為一個自適應分流器)。因此儀表刻度的底部是相當線性的，頂部具有足夠的對數性質，中間則是過渡階段，因此整個范圍非常有用。

如圖1所示，使用一個肖特基整流管、一個100μA/1.7kΩ儀表和一個合適的串聯電阻就可以在單一量程內監控從10μA到超過100mA的電流，其指示的速度僅限于儀表的擺速。

圖1：一個肖特基整流管、一個100μA/1.7kΩ的儀表和一個合適的串聯電阻

這種簡單電路存在的問題常常比元件數量還多!除了需要高精度的校準過程，這個電路還有兩個主要缺陷：串聯壓降和溫度穩定性。二極管的壓降高達400mV，因此監控時最好使用新的或者充滿電的電池，否則你的UUT可能顯示電池電量低。也可將這個電路想像為一個方便的低電壓檢測測試電路，這樣也許要增加一個短路開關。

增加額外的二極管

在刻度底部，幾乎所有電流都流經儀表，受限于儀表測量機構的機械和磁溫度系數，測量的溫度系數很低。但在較大電流時，我們會看到二極管上有壓降，當然正如二極管公式預示的那樣，這個壓降會以大約2mV/K的速度下降。這不僅影響對數律的斜率，也影響線性到對數過渡點。此外，儀表繞組占總串聯電阻的很大一部分，銅在室溫時的TCR為3930ppm/K。圖2顯示了1N5817分別在0℃、25℃和50℃時的偏差與電流關系曲線。這些曲線考慮了測量電路的TCR和二極管的溫度系數，但忽略了后者的任何自熱效應。在較穩定的溫度條件下則沒有任何問題。

圖2：偏差與電流曲線

主要存在于D1中的自熱實際上也沒有問題。假設流過的電流是100mA，D1的壓降是400mV：那就是40mW。根據數據手冊，帶稍長引腳和大量散熱銅片的D0-41 1N5815的基本熱阻是50K/W。將這些數據一起考慮進去，100mA時結點的溫升才2°，相當于VF降低約4mV，或滿刻度時約1%的誤差。試著將二極管保持為短的引腳和高的熱質量。注意在導通的時候可能有很高的瞬態電流，因為這些會導致誤差，直到結點溫度再次冷卻下來。

圖3：增加二極管后的改進版本

圖3增加了一個與儀表測量電路串聯的額外二極管，是抵消溫度系數的改進版本;圖4顯示了這個電路的曲線。注意，現在曲線的大部分是對數形式，那個額外的二極管有效地抑制了初始的線性區域。然而，該二極管的選擇相當關鍵，因為D2的正向電壓應該稍低于D1，但其它特性應該匹配。這有點令人困惑。

圖4：增加了一個二極管后的偏差與電流曲線

LTspice所扮演的角色

LTspice來拯救我們了!我有幸碰到了D1采用10MQ060N和D2采用BAT54的組合——這是我仿真的第一對器件。兩者都很便宜，由LTspice建模，因此是推薦的器件。一對10MQ060N幾乎等同地工作(但一對BAT54則不能)。與其它器件的組合大多數時候會顯示更差的溫度變化和奇怪的指示，因此在搭建電路之前先要建模。如果儀表的靈敏度和電阻合適的話，R1可以省略。D1和D2的熱性能要一致，這樣它們才能彼此跟蹤溫度的變化。

硅P-N結二極管一般具有非常直的(log IF)/VF關系，肖特基的不直。這是因為它們的結構本身存在較高的串聯電阻，在很低的電流時兩者的關系更接近線性而非對數，并且也有保護環來控制可以形成與肖特基結點并聯的P-N二極管的電位梯度，從而軟化大電流時的曲線。因此在實際使用中，精確的對數律會隨電流和器件類型發生改變。雖然對于第一個版本來說，一個用過的二極管可能就可以了，但鑒于這種電路不可避免的不精確性，對于雙二極管設計還是需要精挑細選。

因為我有一盒以前留下來的便宜的100μA/1700Ω指示器，剛好適合35mm x 14mm孔徑，所以就用它們了。這類指示器很常見，非常緊湊也非常實用，而且它們的構造、線性度和單元之間的一致性也較好。

圖5 圖6：源自監視器、電池、固定和可變電阻以及DMM組合的校準點(右)。盡管儀表不是很好，但基準點(左)很好地反應了實際情況。

圖5中使用的校準點是通過安排監視器、電池、固定和可變電阻以及DMM的系列組合產生的。現有的測試刻度在合適的點都做了標記，然后被消除和掃描，掃描被用作最終版圖的樣板。仿真結果用于產生圖6中的基準點，結果很好地反應了現實，盡管儀表較差。這些刻度可以節省時間，但不像自己新做的那樣精確(顯然這些測量結構需要不同的刻度)。調整R1可以微調校準(儀表規定為±20%)。兩種刻度都考慮了儀表結構的非線性。

注意，我把這個稱為“監視器”而不是“儀表”，后面的用語對我來說應該具有更好的精度。不管怎樣，現在我都將這些電路嵌入進了我的大多數開發項目甚至生產測試裝置中，它們對于查找各種故障和問題很有幫助，包括從電源線短路到錯誤編碼的上拉引腳等。

為了最終方便電流的監控，只需將合適的二極管與電源的負端串聯在一起然后監視它的正向壓降就可以了。經過一些簡單的校準后，你就可以與想要探測的其它參數完全同步地監控供電電流。