這個簡潔高效的電路，如何直接“算出”電功率？
發布日期:2026-01-13
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在模擬電子領域中，存在著各式各樣的拓撲結構，用于進行電流轉電壓、電壓轉電流、電壓轉頻率以及頻率轉電壓等多種信號轉換。本文將介紹一種不同尋常的設計——一個能同時處理電流(I)、電壓(V)與功率(W)的直流功率轉換器。此電路可將負載電流與電壓相乘，以直接檢測輸出功率，并以創新的方式實現模擬乘法運算。
電流×電壓=功率：IVW直流功率轉換器的概念
圖1展示了這個“I × V = W”的轉換電路架構。它結合了電壓轉頻率轉換(VFC)與頻率轉電壓轉換(FVC)兩個階段，以實現功率的檢測功能。電路會將負載電壓(Vload)轉換為與之成比例的頻率信號，接著再將此頻率與負載電流(Iload)相乘，最終輸出與功率(W)成比例的電壓(Vw)。這樣的設計不僅直觀，也充分體現了“安培乘伏特等于瓦特”(Amps x Volts = Watts)的能量轉換關系。
圖1：“I×V=W”轉換器由兩部分組成：電壓轉頻率轉換(VFC)由U1ab與A1a構成，輸出頻率F=2000×Vload；頻率轉電壓轉換(FVC)由U1c與A1b組成，其輸出關系為：
Vw = (Iload × F) / 20000 = (Iload × Vload)/10 = 功率(W)/10。適用范圍為Vload < 33V，Iload < 1.5A。
VFC與FVC的級聯結構
此IVW功率轉換器的基本拓撲可視為一個電壓轉頻率轉換器(VFC)與頻率轉電壓轉換器(FVC)的級聯結構。在前級VFC部分，U1ab與A1a結合多個離散式組件(Q1、Q2、Q3等)，形成與我先前發表的一篇文章《只要一點點成本，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)形成一個反相電荷泵反饋回路，能主動平衡通過R2的電流(1µA/V)。在每一個VFC周期中，該電路都會將5V × C2 (即500皮庫侖；pC)的電荷注入積分電容C3中，產生頻率F = 2kHz × Vload (= 1µA /500pC)的控制信號，此頻率信號將送往FVC階段的開關U1c作為輸入。
FVC的另一個輸入端則接收來自R1的電流檢測信號，該信號具有-100mV/A的靈敏度。這使得U1c的工作結合了頻率輸入(F)與電流輸入(-0.1V/A)，形成一個模擬乘法器的行為。
具體來說，U1c每個周期會將電荷量：
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
展開并代入實際參數后：
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，實現功率與輸出電壓的線性比例關系。
R6C5形成的積分器時間常數為100毫秒，能對頻率轉電壓階段輸出的紋波進行有效濾波，提供超過60dB的紋波抑制效果(當Vload > 1V時)。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Vload意外短路至接地時造成U1損壞，電路中設置了保護二極管D1，作為過壓與反向保護措施。
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