基于LTC3105芯片的无源液晶显示电流表

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一种ADI产品应用方案

基于LTC3105芯片的无源液晶显示电流表

    耗电“绿色”化应该被养成为电子工程师用心追求的设计习惯，电子产品本身消耗越低的电能就越是接近“绿色”，如果能做到彻底省去给本身供电的电源，还能让测流电路可以正常实现功能，想必算是电路设计耗电绿色化的终极境界。

想以ADI公司高效的DC/DC转换芯片LTC3105为主，设计一款不用电池供电的液晶显示电流表，实现在测量电路电流的同时，仅靠被测电流的能量来推动仪表本身电路工作，用数字液晶屏显示测量结果，模仿电磁动圈式电流表那样不需要供电就能测量电流，是个有吸引力的挑战。当然老式机械表头靠电磁线圈感应原理工作，具有不用电池、甚至满量程都能达到低至10个微安的电流检测能力，这在目前想全用电子电路来替代实现是不可能完成的任务，所以只想把设计目标定为：实现让仪表电路只要是在被测电流满足大于3毫安及以上时就能可靠工作，也是很有价值的。可以想见：一块不大于40x25mm长宽尺寸（约只相当于普通数字万用表屏幕那么大）的电路板，只要串联接进有大于3毫安电流的回路里，就可以在板上6位8段数码显示的液晶屏上读出被测电流大小，使用起来总也不用外加电源，彻底杜绝对电池续航问题的焦虑，想着就舒心。

当然还有个被测电路总电压不能太小的限制。把电流表串联进线路中测电流，对于动圈式机械表头来说几乎可以忽略测试表压降，对于有源的数字电流表来说，其内部电流采样压降一般最多就到一、二百毫伏左右，而用一套无源电路从被测回路里取电来支持自身工作，串联分压必然要挤占一定原来回路的压降为己所用，最简单的办法就是用二极管或者稳压管串入被测电流回路，之后取其并联压降作额外电路的电源电压，如果这个因测量引入的额外压降大到使原电路无法正常工作了，测量本身也就失去了意义。所以尽量折中的前提条件还有：被测原电路电源最小电压要大于4V，同时允许当该值进一步降低到3V时原电路仍然可以正常工作，这样可以给串联进来的电流表电路留出1V左右的“富余”电压，如此，本方案仪表的实用价值就在于：所有常见5V电源系统的电路都可以使用了，大于5V供电的电路就更没有问题了，因为是串联从电流取电，只要原电路可以正常工作，往上增加多高的原电压都不影响本方案电路正常工作。现在问题归结到：如何实现只用1V左右的电压使测量电流的仪表正常工作？当看到LTC3105芯片DATASHEET中的下面这张典型应用电路图时，难题就变得豁然开朗了：

 

如图：用一支正向压降有630mV且市场易购的肖特基二极管SK34A（3A、40V）替代图中所示型号来串联取电，就能在电路后端升压成3V电压出来，而3V足可以用于使各种低功耗智能电路跑起来，就可以用于去测量并显示电流的大小了。

       既然靠占用630mV压降就能“挤出”够用的3V出来，为什么前边还要说给留1V的量？两个原因：1、任何设计在先都要留出超过理论计算的裕量；2、这630mV压降只是“变压器”的输入量，属于“供电用”压降，还没计算用于测量电流的采样电阻上的压降；而电流采样电阻是要根据被测电流量程大小调整切换选值的，我们需要留出“测量采样”压降80mV使其等于被测电流与采样电阻（下图中的R）的乘积，这里所以定成是80mV，是取决于经后续定值整数倍放大后，要与AD转换器所用的电压基准值相配合的。综上，理论计算总最大压降值为630+80=710mV。下面给出方案的总体电路框图：

图中电源核心芯片是LTC3105，主要指标和引脚图如下

    

 

 

其它部分器件主要型号、规格或图纸列出如下：

1、电流放大器：选ADI公司的MAX9938，这是一颗自身耗电仅有1微安左右的电流放大器，分四种放大倍率型号可选

 

典型应用图如下：

 

其它相关指标：

 Features

50. Supply Current of 1μA (max)
50. 500μV (max) Input Offset Voltage
50. < 0.5% (max) Gain Error
1. Common Mode: +1.6V to +28V
5. Output

97882. Gain Versions Available  +25V/V (MAX9938T) 50V/V (MAX9938F)  100V/V (MAX9938H)  200V/V (MAX9938W)

339715. 1mm x 1mm x 0.6mm, 4-Bump UCSP, 5-Pin SOT23, or 2mm x 2mm x 0.8mm, 6-Pin μDFN Packages

有5-Pin SOT23封装的。在选择市场价格相对低些的gain=25的MAX9938TEUK（丝印AFFB）型号情况下，如果被测电流满量程是20mA,则RSENSE取值80mV/20mA=4Ω；满量程是2A,则RSENSE取80mV/2000mA=40mΩ以此类推。

2、出于对静态耗电的苛求和对转换位数、引脚封装的兼顾，AD转换器我选择了Mcrochip公司的可达18位的ΔΣADC：MCP3421，其指标如下

Features

• 18-bit ΔΣ ADC in a SOT-23-6 package

• Differential input operation

• Self calibration of Internal Offset and Gain per

each conversion

• On-board Voltage Reference:

- Accuracy: 2.048V ± 0.05%

- Drift: 15 ppm/°C

• On-board Programmable Gain Amplifier (PGA):

- Gains of 1,2, 4 or 8

• On-board Oscillator

• INL: 10 ppm of FSR (FSR = 4.096V/PGA)

• Programmable Data Rate Options:

- 3.75 SPS (18 bits)

- 15 SPS (16 bits)

- 60 SPS (14 bits)

- 240 SPS (12 bits)

• One-Shot or Continuous Conversion Options

• Low current consumption:

- 145 μA typical

(VDD= 3V, Continuous Conversion)

- 39 μA typical

(VDD= 3V, One-Shot Conversion with 1 SPS)

• Supports I2C Serial Interface:

- Standard, Fast and High Speed Modes

• Single Supply Operation: 2.7V to 5.5V

• Extended Temperature Range: -40°C to 125°C

可见在3V单次转换模式下典型耗电39μA（1次/秒采样率）。I2C通信、单电源2.7V到5.5V，SOT-23-6小封装，自带内部基准2.048V，对于本方案十分合适。当设置采用最高AD转换位数时，用40mΩ采样电阻测到2A满量程情况下，1LSB对应于2000000（uA）÷131072（2＾17）=15.258789（uA），即可以分辨出最小为16uA电流，液晶数码屏显示最小值0.00001（A）（理论值，实际当被测电流低于3mA后液晶渐灭电路已无法工作了），满量程示数为2.00000（A）；同理如果用4Ω采样电阻测满量程定为20mA时，可以精确到区分出0.15258789uA，液晶数码屏显示最小值0.00015（mA）（理论值，实际当被测电流低于3mA后液晶渐灭电路已无法工作了）,满量程示数为20.0000（mA）。
其单端输入典型应用图如下

3、MCU我选择了个人比较熟悉使用的Microchip公司的低功耗自带段式液晶驱动器的8位8K（字）程序闪存的PIC16F946单片机，要关注到的指标有：

低功耗特性：

• 待机电流：

- 当电压为2.0V 时，典型值<100 nA

• 工作电流：

- 当频率为32 kHz、电压为2.0V 时，典型值为

8.5uA

- 当频率为1 MHz、电压为2.0V时，典型值为

100uA

• 看门狗定时器电流：

- 当电压为2.0V 时，典型值为1uA

外设特性：

• 液晶显示模块：

- 最大可驱动168像素

- 可选时钟源

- 4个公共端

单片机64PIN的TQFP 12x12mm封装引脚图如下

4、液晶显示屏从淘宝购买现成产品，实物照片见前面框图中所示，应用信息如下

产品型号：GDC04520

显示内容：6位8字

外形尺寸：22.5×12.2×2.8mm

视域尺寸：20.5×6.2mm（0.84英寸）

视角：6:00

背光：LED（选配）

工作电压：3.3V

工作温度：-30℃～70℃

储存温度：-40℃～85℃

驱动方式：1/4 Duty，1/3 Bias

显示模式：TN、正显

偏光片类型：反射/半透

连接方式：金属管脚

       至此不用电池供电的液晶显示电流表设计方案介绍完了，核心电源芯片在选型之初我也考察了另外同类公司类似LTC3105的产品，比如某T公司的BQ25504，虽然其静态耗电更低，但外围电路使用的电阻较多且需用精密阻值配合，因其标称阻值规格不易购买所以放弃了。

                                                                                                                                                                                                              笔者：丁一

                                                                                                                                                                                                               2023-10-18 

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