SAM L21 Xplained开发板测量电流的原理

描述

SAM L21 Xplained开发板是ATMEL第一款支持电流测量的开发板，可以使用Data Visualizer查看L21的运行功耗。SAM L21 Xplained开发板是怎样测量电流的？下面和大家一起进行分析一下。

我们先下载SAM L21 Xplained开发板的用户指南，这是一个zip文档，展开后打开SAML21_Xplained_Pro_design_documentation_release_rev3.pdf这个文件，它包含了原理图、PCB、丝印图、元件表等。我们重点看原理图，下面的图都来自这个pdf文件中的原理图部分。

先看下图：

图一

这是SAM L21 Xplained开发板的电流测量部分的框图。电源从CURRENT_MEASUREMENT_IN送到CURRENT_IN，经过左上角的模拟前端电路，从CURRENT_OUT输出。这里就完成了电流采样、信号放大等功能。然后通过Q500，连接到CURRENT_MEASUREMENT_OUT，这里最终通过短路块连接到SAM L21芯片。

SAM L21 Xplained开发板上使用了一颗独立的SAMD20E17A芯片进行电流测量控制，它在上图的左下方。SAMD20完成输出控制、电流测量、采样控制、电流校正等功能。SAMD20将采样的数据送到EDBG，在和上位机软件通信。

我们在来分析一下具体的电流采样电路，它是上图中左上角电路的一部分，上面的标号是对应的。

图二

待测的电流通过CURRENT_IN输入，经过电阻R702（100Ω），然后输出到CURRENT_OUT，这是小电流回路。也可以电阻R700（0.1）和Q700，这是为了测量大电流。Q700是IRLML6402，它的通断由HIGH0CURRENT_RANGE_DISAB信号控制。IRLML6402的最大导通电阻是0.065Ω，典型是0.05Ω。因为MOS管的RDS不是恒定值，这也说明电流的测量不会非常精确。

R702的下方是低噪声放大器AD4528-1，它和Q701、R702、R704、R707一起组成了电流放大电路，这是一个比较典型的运放电路检测电路，这个放大电路怎样分析？大家先想一想，然后在和我的分析对照一下。

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在看看电流放大电路的另外一部分：

图三

这部分的输入是图二的输出VR707，然后通过两个不同增益的同相放大电路，产生两路输出。

GAIN_HIGH = 1 + R703 / R705 = 15.7

GAIN_LOW = 1 + R708 / R709 = 2

因此：

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为了提高ADC的精度，SAM D20的ADC使用了精密外部基准芯片LM4041-ADJ。

图四

参考电压的计算公式是：VRef = 1.24 * （1 + R606 / R605） = 2.705V

除了电流采样电路，还有校准电路。它相当于用程序控制MOS，动态切换不同的负载，有点自动换量程的感觉，这里就不再进行分析了，大家自行研究一下。

图五

从电路成本看，使用AD4528-1不会比专用的电流检测芯片便宜（比如EFM32开发板上就是使用LTC6102检测电流），精度也不会更高，但是更加灵活，可以选择不同增益，可以切换到校准电路。