这个简洁高效的电路，如何直接“算出”电功率？
发布日期:2026-01-13
点击次数:1086
在模拟电子领域中，存在着各式各样的拓扑结构，用于进行电流转电压、电压转电流、电压转频率以及频率转电压等多种信号转换。本文将介绍一种不同寻常的设计——一个能同时处理电流(I)、电压(V)与功率(W)的直流功率转换器。此电路可将负载电流与电压相乘，以直接检测输出功率，并以创新的方式实现模拟乘法运算。
电流×电压=功率：IVW直流功率转换器的概念
图1展示了这个“I × V = W”的转换电路架构。它结合了电压转频率转换(VFC)与频率转电压转换(FVC)两个阶段，以实现功率的检测功能。电路会将负载电压(Vload)转换为与之成比例的频率信号，接着再将此频率与负载电流(Iload)相乘，最终输出与功率(W)成比例的电压(Vw)。这样的设计不仅直观，也充分体现了“安培乘伏特等于瓦特”(Amps x Volts = Watts)的能量转换关系。
图1：“I×V=W”转换器由两部分组成：电压转频率转换(VFC)由U1ab与A1a构成，输出频率F=2000×Vload；频率转电压转换(FVC)由U1c与A1b组成，其输出关系为：
Vw = (Iload × F) / 20000 = (Iload × Vload)/10 = 功率(W)/10。适用范围为Vload < 33V，Iload < 1.5A。
VFC与FVC的级联结构
此IVW功率转换器的基本拓扑可视为一个电压转频率转换器(VFC)与频率转电压转换器(FVC)的级联结构。在前级VFC部分，U1ab与A1a结合多个离散式组件(Q1、Q2、Q3等)，形成与我先前发表的一篇文章《只要一点点成本，就能将电压逆变器改成1MHz高效VFC》中类似的VFC电路。
VFC电路(由U1ab、A1a、C2等组成)形成一个反相电荷泵反馈回路，能主动平衡通过R2的电流(1µA/V)。在每一个VFC周期中，该电路都会将5V × C2 (即500皮库仑；pC)的电荷注入积分电容C3中，产生频率F = 2kHz × Vload (= 1µA /500pC)的控制信号，此频率信号将送往FVC阶段的开关U1c作为输入。
FVC的另一个输入端则接收来自R1的电流检测信号，该信号具有-100mV/A的灵敏度。这使得U1c的工作结合了频率输入(F)与电流输入(-0.1V/A)，形成一个模拟乘法器的行为。
具体来说，U1c每个周期会将电荷量：
F × (-0.1V/A) × 500pF = -2kHz × Vload × 50pC × Iload
注入至A1b的反相积分器输入端。
整体电路的输出可由下式描述：
Vw = R1 × Iload × 2000 × Vload × R6 × C6
展开并代入实际参数后：
Vw = Iload × Vload × 0.1 × 2000 × 1MΩ × 500pF = 100mV/W。
换言之，每输出1瓦功率，电路将输出100毫伏的电压信号，实现功率与输出电压的线性比例关系。
R6C5形成的积分器时间常数为100毫秒，能对频率转电压阶段输出的纹波进行有效滤波，提供超过60dB的纹波抑制效果(当Vload > 1V时)。最终输出电压Vw的范围为0至5V，噪声极低，非常适合输入至一般8至10位分辨率的ADC。
为了防止当Vload意外短路至接地时造成U1损坏，电路中设置了保护二极管D1，作为过压与反向保护措施。
声明：
本文来源于网络 ，转载仅为学习参考，如有问题请联系，谢谢。
深圳市正芯科技有限公司http://www.pluschiptech.com
发送邮件
客服咨询