电阻性电源负载的模拟在线电阻监视

在一些电源控制应用中，基于可靠性或安全性的原因，需要对阻性电源负载的工作状态(健康情况)进行连续的评估。医疗设备(电热垫，电热毛巾和电热毯)中使用的发热电阻就是这种应用的很好例子。为了有效果，评估时应采用连续监视电源负载电阻的方式，并且不能干扰系统的正常工作(在线监视)。监视系统应提供至少一个数字告警信号，该信号需要在阻值超过预设范围时被激活。

带简单的电阻性负载电流监视功能的典型电源控制应用可以如图1所示那样建模，其中忽略了任何感抗现象。在这种集总模型中，U是供电电压;I是电路中的电流;R是电源负载(纯阻性);Rp1、Rp2和Rp3代表所有寄生电阻，建模的是互连走线、连接器和任何可能的机械或电子开关(闭合时)的电阻;Rs是电流检测电阻。设Rp是总的寄生电阻，定义为Rp = Rp1 + Rp2 + Rp3。如果U和Rp是常数，那么I在R改变时才会改变，因为Rs是常数。因此评估R的偏差只需要监视电流即可。然而在大多数情况下，实际的U和Rp不是固定不变的。事实上，即使在常见的恒压PWM电源控制应用中，U也可能因为电源过高的内部阻抗(不良调整)和/或电压容差而偏离期望值。寄生电阻Rp包含导线、连接器和开关的电阻，它们通常会因温度、用途和老化的原因而发生变化。举例来说，如果开关是功率MOSFET实现的，那么由于它具有正温度系数，它的Rds(ON)会随温度的上升而增加。

很明显，U和Rp的变化将影响基于电流的简单电阻监视方法的精度。为了克服这个问题，可以在计算实际负载电阻(R)的基础上进行电阻监视，方法是测量负载电流和负载电压，然后根据欧姆定律计算它们相除的结果。现在典型的方法是在数字域中做这种除法，它要求至少一个带两个复用输入通道的模数转换器(ADC)和一些处理单元(即微控制器)。这种方法很有吸引力，特别是当系统中已经有微控制器的时候。然而，由于可靠性或安全方面的原因，用软件完成计算任务的这种方法可能行不通，或者根本不可取。

例如在医疗级设备中，标准IEC 60601-1(条款14)规定，如果由可编程系统来确保至关重要的安全性，那么开发周期必须遵循规定的程序，这将使最终系统的开发和随后的认证进一步复杂化。另外一种方法是在模拟域中执行除法操作，方法是使用精密的模拟分压集成电路(IC)。然而，这种IC一般很昂贵，而且不很常见。不过在模拟域中，我们可以利用经典的惠斯通电桥——在低功耗电阻测量中一种很著名的电路。它将是我们讨论的起点。

在展开讨论之前，最好是将R定义为R = Rn(1+δ)，其中Rn是R的归一化值，δ是R的相对误差，定义为δ = R/Rn – 1。另外，让我们将阈值点δi 和δs定义为监视系统启动故障条件信号点之外的δ值(分别对应更差和更好)。在图2a)中，惠斯通电桥和比较器用来产生逻辑信号，指示R是大于还是小于某个阈值。很容易表明，这个电阻阈值独立于U，它是这种电桥拓扑的一个特性。在图2 b)中，通过在参考支路和两个比较器中使用一个额外的电阻(R3)，可以扩展拓扑，实现阻值窗口比较器。阈值点δi 和δs由R1、R2和R3之间的比值设定，因为它们确定了比较器(Ut1和Ut2)的阈值电压。

虽然图2 b)所示电路的阈值点独立于U，但它们仍然受电源分支(图1中所示)寄生电阻的影响。另外，比较器的共模和差分输入电压通常很小(R >> Rs)。事实上，期望的差分输入电压范围与比较器的输入偏移电压(IOV)通常是相当的，因此会严重影响监视系统的精度。

解决方案的通用模型

为了克服Rp依赖性，我们可以将电流与负载电压进行比较，而不是将电流与供电电压U进行比较。此外，我们可以在比较器之间进行适当的电压调整，以克服比较器上很小的差分输入电压引起的参考精度损失问题。这种解决方案的通用模型见图3，它包括寄生电阻Rp1、Rp2和Rp3。在这个模型中，负载电压和负载电流(表示为Rs上的电压)在施加到比较器COMP1和COMP2输入端之前先被同相增益级电路所调整。这些增益级电路总是用运放(OPAMP)和增益确定电阻实现。

需要注意的是，只有当这种运放的IOV范围比比较器的IOV更窄时，才有可能减少由于很小的差分输入电压引起的误差。不过这个条件不难满足，因为精密运放的IOV范围通常都要比精密比较器小，这也是为什么在一些低速高精度应用中将运放用作比较器的原因。

对电流的差分测量可以转换为更简单的单端测量，方法是将Rs下面的端子连接模拟地(电阻监视部分的地)。图3中的新变量被定义为：

● Gu1,Gu2：负载电压测量的增益，通常小于1。

● Gi1,Gi2：电流测量的增益，通常大于1。

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