這個(gè)簡(jiǎn)潔高效的電路，如何直接“算出”電功率？
發(fā)布日期:2026-01-13
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在模擬電子領(lǐng)域中，存在著各式各樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，用于進(jìn)行電流轉(zhuǎn)電壓、電壓轉(zhuǎn)電流、電壓轉(zhuǎn)頻率以及頻率轉(zhuǎn)電壓等多種信號(hào)轉(zhuǎn)換。本文將介紹一種不同尋常的設(shè)計(jì)——一個(gè)能同時(shí)處理電流(I)、電壓(V)與功率(W)的直流功率轉(zhuǎn)換器。此電路可將負(fù)載電流與電壓相乘，以直接檢測(cè)輸出功率，并以創(chuàng)新的方式實(shí)現(xiàn)模擬乘法運(yùn)算。
電流×電壓=功率：IVW直流功率轉(zhuǎn)換器的概念
圖1展示了這個(gè)“I × V = W”的轉(zhuǎn)換電路架構(gòu)。它結(jié)合了電壓轉(zhuǎn)頻率轉(zhuǎn)換(VFC)與頻率轉(zhuǎn)電壓轉(zhuǎn)換(FVC)兩個(gè)階段，以實(shí)現(xiàn)功率的檢測(cè)功能。電路會(huì)將負(fù)載電壓(Vload)轉(zhuǎn)換為與之成比例的頻率信號(hào)，接著再將此頻率與負(fù)載電流(Iload)相乘，最終輸出與功率(W)成比例的電壓(Vw)。這樣的設(shè)計(jì)不僅直觀，也充分體現(xiàn)了“安培乘伏特等于瓦特”(Amps x Volts = Watts)的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系。
圖1：“I×V=W”轉(zhuǎn)換器由兩部分組成：電壓轉(zhuǎn)頻率轉(zhuǎn)換(VFC)由U1ab與A1a構(gòu)成，輸出頻率F=2000×Vload；頻率轉(zhuǎn)電壓轉(zhuǎn)換(FVC)由U1c與A1b組成，其輸出關(guān)系為：
Vw = (Iload × F) / 20000 = (Iload × Vload)/10 = 功率(W)/10。適用范圍為Vload < 33V，Iload < 1.5A。
VFC與FVC的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)
此IVW功率轉(zhuǎn)換器的基本拓?fù)淇梢暈橐粋€(gè)電壓轉(zhuǎn)頻率轉(zhuǎn)換器(VFC)與頻率轉(zhuǎn)電壓轉(zhuǎn)換器(FVC)的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)。在前級(jí)VFC部分，U1ab與A1a結(jié)合多個(gè)離散式組件(Q1、Q2、Q3等)，形成與我先前發(fā)表的一篇文章《只要一點(diǎn)點(diǎn)成本，就能將電壓逆變器改成1MHz高效VFC》中類似的VFC電路。
VFC電路(由U1ab、A1a、C2等組成)形成一個(gè)反相電荷泵反饋回路，能主動(dòng)平衡通過(guò)R2的電流(1µA/V)。在每一個(gè)VFC周期中，該電路都會(huì)將5V × C2 (即500皮庫(kù)侖；pC)的電荷注入積分電容C3中，產(chǎn)生頻率F = 2kHz × Vload (= 1µA /500pC)的控制信號(hào)，此頻率信號(hào)將送往FVC階段的開(kāi)關(guān)U1c作為輸入。
FVC的另一個(gè)輸入端則接收來(lái)自R1的電流檢測(cè)信號(hào)，該信號(hào)具有-100mV/A的靈敏度。這使得U1c的工作結(jié)合了頻率輸入(F)與電流輸入(-0.1V/A)，形成一個(gè)模擬乘法器的行為。
具體來(lái)說(shuō)，U1c每個(gè)周期會(huì)將電荷量：
F × (-0.1V/A) × 500pF = -2kHz × Vload × 50pC × Iload
注入至A1b的反相積分器輸入端。
整體電路的輸出可由下式描述：
Vw = R1 × Iload × 2000 × Vload × R6 × C6
展開(kāi)并代入實(shí)際參數(shù)后：
Vw = Iload × Vload × 0.1 × 2000 × 1MΩ × 500pF = 100mV/W。
換言之，每輸出1瓦功率，電路將輸出100毫伏的電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)功率與輸出電壓的線性比例關(guān)系。
R6C5形成的積分器時(shí)間常數(shù)為100毫秒，能對(duì)頻率轉(zhuǎn)電壓階段輸出的紋波進(jìn)行有效濾波，提供超過(guò)60dB的紋波抑制效果(當(dāng)Vload > 1V時(shí))。最終輸出電壓Vw的范圍為0至5V，噪聲極低，非常適合輸入至一般8至10位分辨率的ADC。
為了防止當(dāng)Vload意外短路至接地時(shí)造成U1損壞，電路中設(shè)置了保護(hù)二極管D1，作為過(guò)壓與反向保護(hù)措施。
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