想要晶振电流测得准不能忽视的技术细节
对于有源晶振而言,电压电源的输出电流是至关重要的,过高或者过低的电流都会导致产品出现故障甚至报废的情况,由于分流电阻器会因电路负载电流流过而消耗电能,此外,为了实现石英晶体振荡器的测量稳定性,电流检测电阻器应具有非常低的电阻温度系数,低温度系数将有益于实现高测量精度,且受温度影响较小,所以电流检测电阻的热电势是一个重要测试实验.
用于检测电流的最常见传感元件,是置于电流路径中的低阻值精密电阻器,该电阻通常称为分流器,会在两端产生一个与通过它的电流成比例的电压,由于分流电阻器不应该显著影响石英晶振电流,所以它通常非常小,阻值为毫欧级或不到一毫欧(mΩ),分流电阻器两端产生的电压因此也非常小,在被ADC转换之前通常需要放大,结合这些因素,针对电流监控的常用信号链配置会涉及到一个用于放大分流电阻器两端电压的模拟前端,一个将放大的电压转换为数字信号的ADC,以及一个系统控制器(图1).
AFE通常使用运算放大器或专用电流检测放大器实现,将分流电阻器两端产生的小差分电压转换为更大的输出电压,以便使用完整的ADC测量范围,ADC可以是独立器件,也可以是微控制器或片上系统(SoC)内的片载模块,可对Oscillator Crystal电压信号进行数字化处理,并将结果信息提供给控制处理器,系统控制器使用电流的数字化测量结果,来优化系统性能或实现安全协议,以防止在电流超过预设限值时损坏系统,分流电阻器两端产生的分流电阻值和相应电压会扰乱系统,例如,电阻太大的分流电阻器可降低用于驱动负载的电压,并导致不必要的损耗.
在将电流转换为电压的链路中,电阻器作为传感器元件,其任何物理特性(电阻,容差,功率容量,热系数和热电势,都会影响精度,因此,选择合适的分流电阻器对于优化电流测量至关重要,分流电阻器必须在宽电流范围内工作,当压控晶振电流较低时,例如在睡眠或待机模式下的电池应用中,分流器的热电势会将测量误差电压增加到流经电阻器的电流所产生的电压,该误差电压应显著低于流经分流电阻器的目标电流产生的最低预期电压,从而最大限度减小测量误差.
双端子分流电阻器的示例包括Bourns的CSS2分流电阻器系列和Vishay的WSLP分流电阻器系列,Bourns CSS2系列包括额定功率为2至15W的分流电阻器,电阻介于0.2至5mΩ,最大额定电流介于140至273A,该系列中的典型器件CSS2H-2512R-L500F采用2512表面贴装封装晶振,电阻为0.5mΩ,额定功率为6W,Vishay的WSLP分流电阻器系列具有不同的表面贴装封装类型,封装尺寸从0603至2512不等,额定功率为0.4至3W,电阻为0.5mΩ至0.1Ω,电阻容差为0.5%或1%.
分流电阻器并不像其外表看起来那么简单,具体而言,分流电阻器的电阻实际上由三个电阻组成(图2),首先,分流电阻器本身有电阻,其次,分流电阻器引线和分流电阻器连接的印刷电路板上的引线也有电阻,通常石英晶体振荡器引线电阻不明显,但是分流电阻器的电阻值通常非常低,在高电流测量中,即使很小的引线电阻也会引入测量误差,因为制造商的分流电阻器电阻规格中并未考虑这些电阻,避免外部引线电阻引起测量误差的一种方法是,通过在双端子分流电阻器上部署单独检测印制线来建立开尔文连接(图3).
测量晶振电流的第一步是将电流转换为更易于测量的电压参数,分流电阻器是完成此电流测试任务的高性价比元件,当测量电机经过的电流时,降低的电源电压会减少电机可用的电能,从而影响其能效和电阻电路,将导致电阻器消耗大量电能源,散发热能,使得振荡器测量精度和效率降低,以最大限度地减少其对电路的影响效果,并且最大限度地降低电阻器本身的工作功率耗散.
