本期分享的電路是M5 Stack的VA Meter模塊中的電路，下圖是M5 Stack的這個(gè)VA Meter的產(chǎn)品外觀圖：
首先看下這個(gè)電流電壓檢測(cè)模塊的技術(shù)指標(biāo)，模塊支持PD電壓5~24V輸入，標(biāo)稱電流分辨率有兩檔，分別是2.5uA和250uA，小電流采樣誤差1.01%，大電流采樣誤差0.94%，uA級(jí)電流采樣誤差0.69%，電壓采樣誤差0.11%，大致參數(shù)如下表所示（摘自M5 Stack官網(wǎng)）：
那么上圖的技術(shù)指標(biāo)是如何實(shí)現(xiàn)的呢？我們可以在官網(wǎng)上看到VA Meter模塊的原理框圖，可以看到是采用了兩顆電流采樣電阻，分別是0.01Ω和1Ω，一顆MOS短路或不短路1Ω電阻，用作小電流/大電流測(cè)量量程切換。兩顆INA226檢測(cè)芯片測(cè)量檢流電阻兩端的電壓以讀取電流。原理框圖如下所示：
然后是原理圖部分，可以看到，控制部分與電流檢測(cè)部分是隔離開的，控制部分的IIC隔離（與INA226通訊）采用的是川土微的CA-IS3020S，其為兼容 I2C接口的雙向通訊低功耗隔離器，隔離器的輸入側(cè)與輸出側(cè)具備電氣隔離特性，其隔離方式為電容式耐壓隔離。
CA-IS302X系列隔離器具有高達(dá)5KVrms 的超高絕緣能力，可以防止數(shù)據(jù)總線或其他電路上的噪聲和浪涌進(jìn)入本地接地端而干擾或 損壞敏感電路。高達(dá)150kV/µS 的CMTI 抗干擾的能力可以保證信號(hào)在惡劣噪聲環(huán)境下的正確傳輸。
控制MOS管及INA226的Alert輸出信號(hào)的隔離是通過川土微的單向的信號(hào)隔離器CA-IS3642HW實(shí)現(xiàn)的。CA-IS36XX是一款具有集成式高效電源轉(zhuǎn)換器的高性能多通道增強(qiáng)型數(shù)字隔離器。
并且CA-IS3642HW集成式DC-DC轉(zhuǎn)換器高效運(yùn)行，提供最高500mW的隔離式電源，節(jié)省空間，可滿足各種輸入和輸出電壓配置。并且Viso是可以通過SEL管腳的接VDD或GND來選擇輸出5V或者3.3V。這個(gè)還是很好的，一些情況需要隔離電源且功率無需太大的時(shí)候用這個(gè)芯片既可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離，也實(shí)現(xiàn)了電源隔離，不需要額外搭建電源隔離了。
CA-IS3642HW采用電容式耐壓隔離，具有更好的隔離電壓（VRMS），更高的傳輸速率（DC-150Mbps），和更強(qiáng)抗干擾能力（CMTI）。
然后是電流檢測(cè)部分的電路，可以看到其和原理框圖保持一致，采用兩個(gè)INA226（不同的IIC地址區(qū)分）作為電流/母線電壓檢測(cè)，采用一顆PMOS管并聯(lián)在電阻R6（1Ω）上作為大電流/小電流量程切換。
上圖電路中比較有意思的是其PMOS的并聯(lián)方式，也是采用與往常用法不一致的連接方式，這個(gè)在之前的推文中有所提及，猜測(cè)這種連接方式是為了使用MOS的寄生二極管來保護(hù)檢流電阻。這一部分與之前看德州儀器技術(shù)文檔中的量程切換電路的MOS管并聯(lián)方式一樣。另外在其他的量程切換電路中也有見到這種MOS管的并聯(lián)用法。
然后再看INA226，其為16bit的ADC芯片，支持0~36V的共模范圍，可以高側(cè)/低側(cè)電流采樣（M5 Stack的VA模塊中是高側(cè)采樣），并且INA226可以通過VBUS管腳采集母線電壓，這樣它就可以采集電流或電壓。
再看INA226的電流Vin+和Vin-的采樣電壓范圍是-81.975mV~81.92mV，也就是說他是支持雙向電流采樣，這個(gè)81.92mV與官網(wǎng)所給的電流分辨率所保持一致，81.92mV/2^15=2.5uV，再對(duì)應(yīng)到采樣電阻1Ω和0.01Ω，就是2.5uA（小電流量程）和250uA（大電流量程）的分辨率。
我把MOS管并到一起，大家可以看的更清楚一些，不過下圖中有點(diǎn)個(gè)人覺得有點(diǎn)不太好的地方是穩(wěn)壓管D2的選型MM5Z12V；當(dāng)小電流量程切換為大電流量程是，即當(dāng)NMOS管Q2導(dǎo)通時(shí)，Q1的柵極電壓基本為Fbus-Vz，源極電壓為Fbus_in-Vr4，所以Q1的Vgs基本等于穩(wěn)壓管D2的穩(wěn)壓值，感覺這個(gè)穩(wěn)壓值Vz可能對(duì)與PMOS管AP50P20Q來說還是略大了一些（其Vgs最大絕對(duì)值為±12V），最好再選一個(gè)穩(wěn)壓值再低一些的穩(wěn)壓管，比如MM5Z10V。
仿真也可以看出，小電流模式下，當(dāng)NMOS截止的時(shí)候，PMOS也是會(huì)截止。這樣使用MOS管也是沒啥問題的，因?yàn)闄z流電阻兩端的電壓遠(yuǎn)不足以讓MOS的寄生二極管導(dǎo)通。大電流模式下NMOS導(dǎo)通，PMOS導(dǎo)通，也是可以正?？刂频?。
VA Meter的原理圖附件獲取。