使用固定量程的數(shù)字萬用電表（DMM）令人沮喪，但這個簡單的設計實例可以實現(xiàn)單一量程內(nèi)從數(shù)μA~100mA的電流監(jiān)控。本設計實例已被證明非常有用，而且非常簡單。只需3~4個組件，就可以在單一量程內(nèi)監(jiān)控從數(shù)μA到超過100mA的電流。

我開發(fā)了一塊基于PIC的電路板，需要監(jiān)視它從兩個AA電池抽取的電流。雖然這塊電路大多數(shù)時間內(nèi)都處于待機狀態(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、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，自動量程也由于快速循環(huán)時間和很短的工作時間而讓我頭疼。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）

分流二極管

現(xiàn)在，讓我們看看一個帶測量儀表的二極管。在電流很低時，它會指示流經(jīng)儀表而不是二極管的毫安（mA）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(shù)（將二極管想象為一個自我調(diào)整分流器）。因此儀表刻度的底部是相當線性的，頂部具有足夠的對數(shù)性質(zhì)，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(lián)電阻就可以在單一量程內(nèi)監(jiān)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(lián)電阻。

這種簡單電路存在的問題常常比組件數(shù)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(lián)壓降和溫度穩(wěn)定性。二極管的壓降高達400mV，因此監(jiān)控時最好使用新的或者充滿電的電池，否則你的被測組件（UUT）可能顯示電池電量低?；蛘邔⑦@個電路想象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(jīng)儀表，受限于儀表測量機構(gòu)的機械和磁溫度系數(shù)，測量的溫度系數(shù)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(shù)律（low of logarithm）的斜率，也影響線性到對數(shù)過渡點。此外，儀表繞組占總串聯(lián)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(shù)，但忽略了后者的任何自熱效應，在較穩(wěn)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(jù)資料手冊，帶稍長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)一起考慮進去，100mA時結(jié)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接腳和高的熱質(zhì)量。注意在導通的時候可能有很高的瞬態(tài)電流，因為這些會導致誤差，直到結(jié)點溫度再次冷卻下來。

圖3增加了一個與儀表測量電路串聯(lián)的額外二極管，是抵消溫度系數(shù)的改進版本；圖4顯示了這個電路的曲線。注意，現(xiàn)在曲線的大部分是對數(shù)形式，那個額外的二極管有效地抑制了初始的線性區(qū)域。然而，這個二極管的選擇相當關鍵，因為D2的正向電壓應該稍低于D1，但其他特性應該匹配，這有點令人困惑。

圖3 增加二極管后的改進版本。

圖4 增加了一個二極管后的偏差與電流曲線。

LTspice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組件。兩者都很便宜，由LTspice建模，因此是推薦的組件。一對10MQ060N幾乎一致的工作（但一對BAT54不一致）。與其他組件的組合大多數(shù)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(jié)二極管一般具有非常直線的（log IF）/VF關系，肖特基的直線則不直。這是因為它們的結(jié)構(gòu)本身存在較高的串聯(lián)電阻，在很低的電流時兩者的關系更接近線性而非對數(shù)，并且也有保護環(huán)來控制可以形成與肖特基結(jié)點并聯(lián)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(shù)律會隨電流和組件類型發(fā)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。而肖特基二極管可以提供更多的背景。

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×14mm孔徑，所以就用它們了。這類指示器很常見，非常緊密連接，也非常實用，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中使用的校準點是透過安排監(jiān)視器、電池、固定和可變電阻，以及DMM的系列組合產(chǎn)生的?，F(xiàn)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。模擬結(jié)果用于產(chǎn)生圖5（左）的基準點，結(jié)果很好地反應了實現(xiàn)，盡管儀表較差。這些刻度可以節(jié)省時間，但不像自己新做的那樣精確（顯然這些測量結(jié)構(gòu)需要不同的刻度），調(diào)整R1可以微調(diào)校準（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。

注意，我把這個稱為「監(jiān)視器」而不是「儀表」，后者的用語對我來說應該具有更好的精度。不管怎樣，現(xiàn)在我都將這些電路嵌入進了我的大多數(shù)開發(fā)項目甚至生產(chǎn)測試裝置中，它們對于查找各種故障和問題很有效，包括從電源線短路到錯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)過一些簡單的校準后，你就可以與想要探測的其他參數(shù)完全同步地監(jiān)控供電電流。