使用固定量程的數(shù)字萬(wàn)用電表（DMM）令人沮喪，但這個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)實(shí)例可以實(shí)現(xiàn)單一量程內(nèi)從數(shù)μA~100mA的電流監(jiān)控。本設(shè)計(jì)實(shí)例已被證明非常有用，而且非常簡(jiǎn)單。只需3~4個(gè)組件，就可以在單一量程內(nèi)監(jiān)控從數(shù)μA到超過(guò)100mA的電流。

我開(kāi)發(fā)了一塊基于PIC的電路板，需要監(jiān)視它從兩個(gè)AA電池抽取的電流。雖然這塊電路大多數(shù)時(shí)間內(nèi)都處于待機(jī)狀態(tài)，其升壓轉(zhuǎn)換器的30μA靜態(tài)電流占功耗的主要部分，但它可以快速經(jīng)歷突發(fā)的檢測(cè)、顯示和發(fā)送狀態(tài)，抽取的電流在8mA~100mA之間。使用固定量程的DMM十分令人沮喪，自動(dòng)量程也由于快速循環(huán)時(shí)間和很短的工作時(shí)間而讓我頭疼。而下述方法非常有用。

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(jīng)的對(duì)數(shù)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(shù)（1.380×10-23 J/K）。

根據(jù)我們的目的，可以從中提取出以下公式：

VF∝logIF（在給定溫度時(shí)）

分流二極管

現(xiàn)在，讓我們看看一個(gè)帶測(cè)量?jī)x表的二極管。在電流很低時(shí)，它會(huì)指示流經(jīng)儀表而不是二極管的毫安（mA）級(jí)電流；而在大電流時(shí)，它會(huì)顯示二極管上的電壓，以及由此得出的電流對(duì)數(shù)（將二極管想象為一個(gè)自我調(diào)整分流器）。因此儀表刻度的底部是相當(dāng)線性的，頂部具有足夠的對(duì)數(shù)性質(zhì)，中間則是過(guò)渡階段，因此整個(gè)范圍非常有用。

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

圖1 一個(gè)肖特基整流管、一個(gè)100μA/1.7kΩ的儀表和一個(gè)合適的串聯(lián)電阻。

這種簡(jiǎn)單電路存在的問(wèn)題常常比組件數(shù)量還多！除了需要高精度的校準(zhǔn)過(guò)程，這個(gè)電路還有兩個(gè)主要缺陷：串聯(lián)壓降和溫度穩(wěn)定性。二極管的壓降高達(dá)400mV，因此監(jiān)控時(shí)最好使用新的或者充滿電的電池，否則你的被測(cè)組件（UUT）可能顯示電池電量低。或者將這個(gè)電路想象為一個(gè)方便的低電壓檢測(cè)測(cè)試電路，這樣也許要增加一個(gè)短路開(kāi)關(guān)。

增加額外的二極管

在刻度底部，幾乎所有電流都流經(jīng)儀表，受限于儀表測(cè)量機(jī)構(gòu)的機(jī)械和磁溫度系數(shù)，測(cè)量的溫度系數(shù)很低。但在較大電流時(shí)，我們會(huì)看到二極管上有壓降，當(dāng)然正如二極管公式預(yù)示的那樣，這個(gè)壓降會(huì)以大約2mV/K的速度下降。這不僅影響對(duì)數(shù)律（low of logarithm）的斜率，也影響線性到對(duì)數(shù)過(guò)渡點(diǎn)。此外，儀表繞組占總串聯(lián)電阻的很大一部分，銅在室溫時(shí)的TCR為3930ppm/K。圖2顯示了1N5817分別在0℃、25℃和50℃時(shí)的偏差與電流關(guān)系曲線，這些曲線考慮了測(cè)量電路的TCR和二極管的溫度系數(shù)，但忽略了后者的任何自熱效應(yīng)，在較穩(wěn)定的溫度條件下則沒(méi)有任何問(wèn)題。

圖2 偏差與電流曲線。

主要存在于D1中的自熱實(shí)際上也沒(méi)有問(wèn)題。假設(shè)流過(guò)的電流是100mA，D1的壓降是400mV：那就是40mW。根據(jù)資料手冊(cè)，帶稍長(zhǎng)接腳和大量散熱銅片的D0-41 1N5815的基本熱阻是50K/W。將這些數(shù)據(jù)一起考慮進(jìn)去，100mA時(shí)結(jié)點(diǎn)的溫升才2°，相當(dāng)于VF降低約4mV，或滿刻度時(shí)約1%的誤差。試著將二極管保持為短的接腳和高的熱質(zhì)量。注意在導(dǎo)通的時(shí)候可能有很高的瞬態(tài)電流，因?yàn)檫@些會(huì)導(dǎo)致誤差，直到結(jié)點(diǎn)溫度再次冷卻下來(lái)。

圖3增加了一個(gè)與儀表測(cè)量電路串聯(lián)的額外二極管，是抵消溫度系數(shù)的改進(jìn)版本；圖4顯示了這個(gè)電路的曲線。注意，現(xiàn)在曲線的大部分是對(duì)數(shù)形式，那個(gè)額外的二極管有效地抑制了初始的線性區(qū)域。然而，這個(gè)二極管的選擇相當(dāng)關(guān)鍵，因?yàn)镈2的正向電壓應(yīng)該稍低于D1，但其他特性應(yīng)該匹配，這有點(diǎn)令人困惑。

圖3 增加二極管后的改進(jìn)版本。

圖4 增加了一個(gè)二極管后的偏差與電流曲線。

LTspice扮演的角色

LTspice來(lái)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(duì)組件。兩者都很便宜，由LTspice建模，因此是推薦的組件。一對(duì)10MQ060N幾乎一致的工作（但一對(duì)BAT54不一致）。與其他組件的組合大多數(shù)時(shí)候會(huì)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(jié)二極管一般具有非常直線的（log IF）/VF關(guān)系，肖特基的直線則不直。這是因?yàn)樗鼈兊慕Y(jié)構(gòu)本身存在較高的串聯(lián)電阻，在很低的電流時(shí)兩者的關(guān)系更接近線性而非對(duì)數(shù)，并且也有保護(hù)環(huán)來(lái)控制可以形成與肖特基結(jié)點(diǎn)并聯(lián)的P-N二極管的電位梯度，從而軟化大電流時(shí)的曲線，因此在實(shí)際使用中，精確的對(duì)數(shù)律會(huì)隨電流和組件類型發(fā)生改變。

雖然對(duì)于第一個(gè)版本來(lái)說(shuō)，一個(gè)用過(guò)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(duì)于雙二極管設(shè)計(jì)還是需要精挑細(xì)選。而肖特基二極管可以提供更多的背景。

因?yàn)槲矣幸缓幸郧傲粝聛?lái)的便宜的100μA/1700Ω指示器，剛好適合35mm×14mm孔徑，所以就用它們了。這類指示器很常見(jiàn)，非常緊密連接，也非常實(shí)用，而且它們的構(gòu)造、線性度和單元之間的一致性也較好。

圖5中使用的校準(zhǔn)點(diǎn)是透過(guò)安排監(jiān)視器、電池、固定和可變電阻，以及DMM的系列組合產(chǎn)生的。現(xiàn)有的測(cè)試刻度在合適的點(diǎn)都做了標(biāo)記，然后被消除和掃描，掃描被用作最終版圖的樣板。模擬結(jié)果用于產(chǎn)生圖5（左）的基準(zhǔn)點(diǎn)，結(jié)果很好地反應(yīng)了實(shí)現(xiàn)，盡管儀表較差。這些刻度可以節(jié)省時(shí)間，但不像自己新做的那樣精確（顯然這些測(cè)量結(jié)構(gòu)需要不同的刻度），調(diào)整R1可以微調(diào)校準(zhǔn)（儀表規(guī)定為±20%），兩種刻度都考慮了儀表結(jié)構(gòu)的非線性。

圖5 源自監(jiān)視器、電池、固定和可變電阻，以及DMM組合的校準(zhǔn)點(diǎn)（右）。盡管儀表不是很好，但基準(zhǔn)點(diǎn)（左）很好地反應(yīng)了實(shí)際情況。

注意，我把這個(gè)稱為「監(jiān)視器」而不是「儀表」，后者的用語(yǔ)對(duì)我來(lái)說(shuō)應(yīng)該具有更好的精度。不管怎樣，現(xiàn)在我都將這些電路嵌入進(jìn)了我的大多數(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目甚至生產(chǎn)測(cè)試裝置中，它們對(duì)于查找各種故障和問(wèn)題很有效，包括從電源線短路到錯(cuò)誤編碼的上拉接腳等。

為了最終方便電流的監(jiān)控，只需將合適的二極管與電源的負(fù)端串聯(lián)在一起然后監(jiān)視它的正向壓降就可以了。經(jīng)過(guò)一些簡(jiǎn)單的校準(zhǔn)后，你就可以與想要探測(cè)的其他參數(shù)完全同步地監(jiān)控供電電流。