利用0至1V模拟乘法器实现电池供电系统的精确功率管理

摘要：有些系统要求测量输出到负载的功率，这比通过传统的电流检测放大器简单测量电流更为重要。负载功率测量可以精确管理电池或交流适配器供电设备的功率。该应用笔记显示了创建一个简易模拟乘法器(用MAX4210D/E/F)的方法，将两路0到1V的输入信号相乘，从而实现精确的负载功率测量。


负载功率测量的重要性


在笔记本电脑应用中，负载功率的测量往往非常重要，此类应用中，整个电路(负载)是由锂离子(Li+)电池供电或由同时向电池充电的交流适配器供电。因为每个电源的输出电压不同，负载电流也不同。通常情况下，交流适配器输出16V，而电池包由3节Li离子电池组成，充满电时电压约12.6V，完全放电时约为9V。


要精确管理电路中的功率，仅仅测量负载电流是不够的，因为那样无法给出正在使用哪种类型的电压源的信息。此外，有些便携式应用中的微控制器所能提供的引脚有限，所以需要直接测量功率，而不是分别测量电压和电流，然后在固件中相乘。


用MAX4210D/E/F构建0至1V模拟乘法器


MAX4210D/MAX4210E/MAX4210F为高边电流和功率监测器，具有内部真模拟乘法器。这些器件可以直接将电池电流和0到1V的输入电压相乘。但如果需要简单的将两个0到1V的信号相乘，输入共模电压门限(4.5V最小)将使电路无法工作。


图1显示了利用MAX4210D/E/F与一个MAX4477运放和n沟道MOSFET构建0到1V模拟乘法器的电路。该电路可以将最高1V的2个独立输入电压相乘。

图1： 采用MAX4210D/E/F和MAX4477构建通用的1V模拟乘法器。


本应用笔记以MAX4210E为例；MAX4210D和MAX4210F也可以用于构建通用模拟乘法器。


在图1电路中，输入电压V1通过运放、MOSFET和R1电阻转换成电流；R2电阻再将其转换至较小的电压。这个小电压连接至MAX4210E的差分输入。MAX4210E允许的最大输入检测电压为150mV。据此，选择R1和R2值：R1 = 1kΩ 和R2 = 150Ω 。整个电路的电源VCC为5V；MAX4210E具有25V/V的增益。因此，满幅输出电压为3.75V。

电路中应选择输入共模电压范围包含地、而且精度应该优于MAX4210E的运算放大器。25°C时，MAX4210E的总输出误差小于满量程输出(FSO)范围的±1.5%。MAX4477具有pA级的超小偏置电流，输入电压偏置小于350μV，CMRR至少90dB；因此，所引入的误差相比于MAX4210E可以忽略。


图2显示了第一组测量结果，输入V2为0.9V，输入V1从0至1V范围内以100mV递增。

图2： VOUT与V1的关系，V2 = 0.9V。


计算增益误差为0.8%，总输出误差为FSO的0.6%。增益误差等于：测量的曲线斜率和理想曲线斜率之间的差与理想曲线斜率的比值，以百分比表示。每个斜率由假设为线性的2个端点测量值得到。总输出误差为测量值和理想曲线的最大差值与3.75V的FSO比值，以百分比表示。


图3显示了另一组测量值，输入V1为0.9V，输入V2在0到1V之间以100mV递增。计算增益误差为0.81%，总输出误差为FSO的0.58%。

图3： VOUT与V2的关系，V1 = 0.9V。


两组测量中，增益误差和总输出误差均在MAX4210的参数范围内。


结论


为实现精确的功率管理，一些应用需要进行负载功率检测，而不仅仅是负载电流检测。MAX4210D/E/F能同时检测负载电流和电源电压，理想用于由电池或交流适配器供电的应用中。应用笔记中提供了采用MAX4210D/E/F构建通用模拟乘法器，能够将两路0至1V的信号相乘，实现精确的功率管理。