本文將介紹具有快速采樣速率的高精度數字電流檢測放大器MAX40080的關鍵特性，并指出這些關鍵特性為各種行業的實際應用帶來的優勢。文中將重點介紹內部ADC的快速采樣速率、可節省功耗的智能模式及可降低失調誤差的可編程輸入范圍。

簡介

過去幾年中，數字電流檢測放大器(CSA)在各種應用中越來越受歡迎。除了測量電流，數字CSA還可用于測量電壓，通過內部模數轉換器(ADC)對數據作數字化處理，并以數字化格式通訊數據，通常的接口為I2C或SPI。一些CSA還使用電流和電壓的數字量做乘法來計算功率。

與傳統的模擬輸出的CSA相比，數字CSA有著明顯的優勢。首先，有些系統必須在不同的點測量電流，因而將所有這些測量連接到共同的I2C或SPI總線，便可在微控制器(MCU)上節省幾個GPIO引腳。此外，數字CSA還可節省MCU內部對于ADC的使用，使其能夠用于測量系統電流和/或電壓以外的其他用途。最后，由于電流通常是在遠離MCU的系統點上進行測量，在此情況下，相比于檢測遠距離的模擬電流或電壓，傳輸數字數據更具魯棒性和抗噪能力。

快速采樣速率可精確監控電流浪涌

市面上大部分數字CSA集成的是低采樣速率和低帶寬的ADC，通常分別處于低kSPS和kHz范圍只適合電流不會經常發生變化的應用。然而，如果電流突然發生變化，系統監控會難以察覺。相比之下， MAX40080集成了可編程采樣速率高達1Msps的13位ADC。

以下是兩個實際應用示例，其中快速采樣速率具有顯著優勢。

在第一個示例中，具有快速采樣速率的數字CSA可測量快速電流浪涌，并優化大型處理器中的系統性能。對于集成了多個CPU、存儲器、GPU等器件的系統，它會監控功耗以便盡可能提高系統性能。而且，它會通過監控電流浪涌來觀察系統中哪些模塊最耗電并快速作出應對。

在第二個示例中，具有快速采樣速率的數字CSA有助于鋰離子電池的安全快速充電。充電過程中，金屬鋰（鋰枝晶）(1)會在負極上逐漸形成，最終成為電池故障源。為防止鋰枝晶形成，電池充電器使用一連串的電流脈沖，而不是固定的穩定電流。具有快速采樣速率的數字CSA可以精確測量這些電流脈沖。

MAX40080的電流測量具有高達50kHz的信號帶寬。在采樣速率高達1Msps的情況下，通過使用集成移動平均數字濾波器，可對電流和電壓測量進行過采樣，并提高測量精度。此類濾波器可通過I2C命令寄存器進行編程，平均可處理8個到128個樣本，步進增量為x2（8、16、32、64和128個樣本的平均值）。平均過程降低了本底噪聲并提高了準確度。(2)

智能模式能夠顯著節省功耗

為達到快速采樣速率和高性能，當MAX40080處于完全活動狀態時，需要2.7mA的電源電流。通常，速度和性能都以功耗為代價。然而，MAX40080提供了可有效降低功耗的智能模式，使MAX40080甚至適用于便攜式消費電子應用，如平板電腦、智能手機和筆記本電腦/臺式電腦。

首先，它具有I2C可編程喚醒電流閾值。MAX40080在低功耗模式下進行編程，此時電流消耗僅為52μA。在此模式下，大多數功能都處于休眠狀態，但會每50ms進行一次短暫喚醒以進行一次電流測量，并將測量值與喚醒閾值進行比較。如果測量值低于喚醒閾值，則MAX40080將保持低功耗模式。僅當測量值高于閾值時，MAX40080才會自動切換到所有功能處于激活狀態的活動模式。對于主要目的是監控系統中是否存在意外過流的應用，智能模式能發揮作用。在這種情況下，可以將喚醒閾值設置為略低于過流閾值，從而顯著降低系統功耗。當電流超過喚醒閾值時，MAX40080將進入活動模式；當電流超過過流閾值時，MAX40080將在其ALERT_輸出上產生中斷報警。

其次，I2C上具有內部超時功能，如果長達1分鐘內沒有收到主機命令，MAX40080將自動進入待機模式，將功耗降至2.7μA。

最后，MAX40080具有四種額外的工作模式，稱為“選擇性活動模式”，采用從4sps到1/4sps的低固定采樣速率，且功耗極低。當預計不會出現快速電流浪涌時，可將MAX40080切換到這些模式。例如，數據中心系統處于夜間時。請注意，即使在這些“選擇性活動模式”下，過流閾值和報警發生器仍發揮作用。如果發生過流，仍會檢測到過流情況，但不會像MAX40080在正常活動模式和快速采樣速率時那樣快。

圖1.MAX40080智能模式將功耗降低。

可編程輸入范圍和超低失調增強了系統精度

在需要測量兩個不同電流電平的應用中，最低電平的精度經常受到影響，因為它受到電流檢測放大器和后置ADC的失調電壓的限制。

例如，某物聯網傳感器系統使用集成BLE的MCU，MCU會定時喚醒，進行一次測量并無線傳輸測量值。當MCU處于活動狀態時，系統電流在幾十毫安范圍內；而當MCU休眠時，系統電流降至微安范圍內。由于這兩個電平相差幾個數量級，休眠電流測量會受到CSA失調電壓的限制。

MAX40080具有可通過I2C端口選擇的可編程輸入范圍（±10mV或±50mV），在內部分別對應于125V/V和25V/V增益選項。這兩種增益選項可靈活測量大小電流，同時降低了ADC失調誤差保持系統精度。事實上，借助這兩種增益選項，大電流和小電流均接近ADC滿量程范圍，使得ADC失調誤差可以忽略不計。

MAX40080的失調電壓貢獻本就很低，在25°C時僅為25μV（最大值），因而可使用較小的電阻值，從而降低功耗。

結論

MAX40080數字CSA是一款多功能器件，適用于各種市場應用。數字輸出比模擬輸出具有更高的抗擾度，并支持在同一數字總線上連接多個電流檢測器件，從而騰出了MCU上的GPIO引腳和ADC通道。

憑借快速采樣速率，MAX40080可以測量電流浪涌和快速瞬變，比如搭載強大處理器的計算系統和電池充電器中發生的電流浪涌和快速瞬變。同時，它還具有智能模式，能夠降低功耗，因而非常適合智能手機、平板電腦和筆記本電腦等電池供電系統。可編程輸入范圍和超低失調電壓提高了在測量大電流和小電流時的精度。

審核編輯：郭婷