ADI實驗室電路:500V共模電壓電流監(jiān)控器 - 全文

電路功能與優(yōu)勢

圖1所示電路監(jiān)控系統(tǒng)中的電流，可在高達+500 V的正高共模直流電壓下工作，且誤差小于0.2%。負載電流通過一個電路外部的分流電阻。分流電阻值應(yīng)適當選擇，使得在最大負載電流時分流電壓約為500 mV。

圖1：高共模電壓電流監(jiān)控器（未顯示所有連接和去耦）

與外部PNP晶體管配合使用時， AD8212 能在具有大于500 V的正高共模電壓情況下，精確放大小差分輸入電壓。

電流隔離由四通道隔離器ADuM5402 提供。這不僅是為了提供保護，而且還可將下游電路與高共模電壓隔離開來。除了隔離輸出數(shù)據(jù)以外，數(shù)字隔離器ADuM5402還為電路提供+3.3 V隔離電源。

AD7171 的測量結(jié)果通過一個簡單的雙線SPI兼容型串行接口，以數(shù)字碼形式提供。

這一器件組合實現(xiàn)了一款精確的正高壓供電軌電流檢測解決方案，具有器件數(shù)量少、低成本、低功耗的特點。

電路描述

該電路針對最大負載電流IMAX下500 mV的滿量程分流電壓而設(shè)計。因此，分流電阻值為RSHUNT = （500 mV）/（IMAX）。

AD8212工藝具有65 V的擊穿電壓限制。因此，共模電壓必須保持在65 V以下。通過采用外部PNP BJT晶體管，共模電壓范圍可以擴展到500 V以上，具體取決于晶體管的擊穿電壓。

圖2：AD8212采用外部PNP晶體管的高壓工作模式

AD8212沒有專用電源。相反，該器件實際上利用一個內(nèi)部5 V串聯(lián)調(diào)節(jié)器使自身“浮動”脫離500 V共模電壓，從而創(chuàng)建出一個5 V電源，如圖2所示。此調(diào)節(jié)器確保所有端子中的最大負端COM（引腳2）始終要比電源電壓（V+）低5 V。

在此工作模式下，AD8212電路的電源電流（IBIAS））完全基于電源電壓范圍和所選的RBIAS電阻值。例如，對于V+ = 500 V和RBIAS = 500 kΩ，

IBIAS = （500 V ?5 V）/RBIAS = 990 μA。

在此高電壓模式下， IBIAS應(yīng)當介于200 μA和1 mA之間。這樣可以確保偏置電路處于激活狀態(tài)，從而讓器件可以正常工作。

注意，500 kΩ偏置電阻（5 × R2）由五個單獨的100 kΩ電阻構(gòu)成。這是為了提供保護，以防電阻電壓擊穿。通過消除電阻串正下方的接地層，可以增加額外的擊穿保護。

流經(jīng)外部分流電阻的負載電流在AD8212的輸入端產(chǎn)生電壓。內(nèi)部放大器A1通過促使晶體管Q1籍由電阻R1傳導必要電流做出響應(yīng)，以均衡放大器A1反相和同相輸入端處的電位。

流過晶體管Q1發(fā)射極的電流（IOUT）與輸入電壓（VSENSE）成比例，因此也就與流過分流電阻（ILOAD）的負載電流（RSHUNT）成比例。輸出電流（IOUT）通過外部電阻轉(zhuǎn)換成電壓，而外部電阻值取決于應(yīng)用中所需的輸入至輸出增益。

AD8212的傳遞函數(shù)為：

IOUT = gm × VSENSE

VSENSE = ILOAD × RSHUNT

VOUT = IOUT × ROUT

VOUT = （VSENSE × ROUT）/1000 gm = 1000 μA/V

輸入檢測電壓具有固定范圍，即0 V至500 mV。輸出電壓范圍可以根據(jù)ROUT值進行調(diào)整。當VSENSE發(fā)生1 mV變化時，即可在IOUT上產(chǎn)生1 mA變化，而當后者流過5 kΩ電阻時，又會在VOUT處產(chǎn)生1 mV變化。

在圖1所示電路中，負載電阻為24.9 kΩ，因此增益為5。500 mV的滿量程輸入電壓會產(chǎn)生2.5 V輸出，這對應(yīng)于AD7171 ADC的滿量程輸入范圍。

AD8212輸出設(shè)計用于驅(qū)動高阻抗節(jié)點。因此，如果與轉(zhuǎn)換器接口，則建議對ROUT兩端的輸出電壓進行緩沖，以保證AD8212的增益不受影響。

注意， ADR381 和AD7171的電源電壓由四通道隔離器ADuM5402的隔離電源輸出（+3.3 VISO）提供。

AD7171的基準電壓由精密帶隙基準電壓源ADR381提供。ADR381的初始精度為±0.24%，典型溫度系數(shù)為5 ppm/°C。

雖然AD7171 VDD和REFIN（+）都可以采用3.3 V電源，但使用獨立的基準電壓源可提供更高的精度?？蛇x擇2.5 V基準電壓源來提供充足的裕量。

AD7171 ADC的輸入電壓在ADC的輸出端轉(zhuǎn)換為偏移二進制碼。ADuM5402為DOUT數(shù)據(jù)輸出、SCLK輸入和 PDRST 輸入提供隔離。雖然隔離器是可選器件，但建議使用該器件來保護下游數(shù)字電路，使其不受故障狀況下的高共模電壓影響。

代碼在PC中利用SDP硬件板和LabVIEW軟件進行處理。

圖3中的曲線圖顯示，受測試的電路如何在整個輸入電壓范圍（0 mV至500 mV）實現(xiàn)了不足0.2%的誤差。另外還比較了LabVIEW記錄的ADC輸出代碼與基于理想系統(tǒng)而計算的理想代碼。

圖3：輸出和誤差與分流電壓的關(guān)系圖

PCB布局考慮

在任何注重精度的電路中，必須仔細考慮電路板上的電源和接地回路布局。PCB應(yīng)盡可能隔離數(shù)字部分和模擬部分。本PCB采用4層板堆疊而成，具有較大面積的接地層和電源層多邊形。

常見變化

關(guān)于正電源的高端檢測，目前有多種解決方案可用，包括使用檢測放大器、差動放大器或二者某種組合的IC解決方案。

圖4：正共模電壓大于+65 V時的雙向電流檢測

圖4顯示了一種可選電路，需要針對大于+65 V的正共模電壓進行雙向電流檢測時可以使用該電路。通過在該配置中實施另一個AD8212，可以分別測量電荷和負載電流。注意，VOUT1會隨著ILOAD流過分流電阻而不斷升高。VOUT2會隨著ICHARGE流過分流電阻而不斷升高。

電路評估與測試

警告！高電壓。此電路可能包含致命電壓。除非是接受過相關(guān)培訓、懂得高壓電路操作的專業(yè)人員，否則請勿操作、評估或測試此電路，或者進行電路板裝配。加電之前，必須先熟悉該電路以及高壓電路操作的所有必要注意事項。

本電路使用EVAL-CN0218-SDPZ電路板和EVAL-SDP-CB1Z系統(tǒng)演示平臺（SDP）評估板。這兩片板具有120引腳的對接連接器，可以快速完成設(shè)置并評估電路性能。EVAL-CN0218-SDPZ板包含要評估的電路，如本筆記所述。SDP評估板與CN0218評估軟件一起使用，可從EVAL-CN0218-SDPZ電路板獲取數(shù)據(jù)。

設(shè)備要求

帶USB 端口的Windows? XP、Windows Vista?（32位）或Windows? 7（32位）PC

EVAL-CN0218-SDPZ電路評估板

EVAL-SDP-CB1Z SDP評估板

CN0218評估軟件

電源電壓：+6 V或+6 V壁式電源適配器

最大負載電流下最大電壓為500 mV的分流電阻

電子負載

開始使用

將CN0218評估軟件光盤放進PC的光盤驅(qū)動器，加載評估軟件。打開我的電腦摂，找到包含評估軟件光盤的驅(qū)動器，打開Readme文件。按照Readme文件中的說明安裝和使用評估軟件。

功能框圖

電路的功能框圖參見本電路筆記的圖1，電路原理圖參見EVAL-CN0218-SDPZ-SCH.pdf文件。此文件位于CN0218設(shè)計支持包中