具有過(guò)壓保護功能的高端電流檢測電路設計

發(fā)生瞬變后，或者連接、斷開(kāi)或關(guān)斷監控電路時(shí)，高端電流監控器可能遇到過(guò)壓情況。圖1所示電路使用具有過(guò)壓保護功能、作為差動(dòng)放大器連接的 ADA4096-2運算放大器來(lái)監控高端電流。 ADA4096-2具有輸入過(guò)壓保護功能，對于高于32 V及低于供電軌的電壓，不會(huì )發(fā)生反相或閂鎖。

圖1. 具有輸入過(guò)壓保護的高端電流檢測（原理示意圖：未顯示所有連接和去耦）

該電路采用可調低壓差500 mA線(xiàn)性穩壓器 ADP3336供電，如果需要，后者還可用于為系統其他器件供電。設置為5 V輸出時(shí)，輸入電壓范圍為5.2 V至12 V。為了省電，可通過(guò)將 ADP3336 SD 引腳置位低電平來(lái)關(guān)斷電流檢測電路，而電源（例如太陽(yáng)能電池板）仍可工作。這將對未供電的 ADA4096-2的輸入端施加電壓，但在最高可達32 V的輸入電壓下不會(huì )發(fā)生閂鎖或損壞。如果需要較低吞吐速率， AD7920 也可在樣本間關(guān)斷。 AD7920在關(guān)斷時(shí)的最大功耗為5 µW，上電時(shí)為15 mW。在工作條件下， ADA4096-2僅需120 µA。工作電壓為5 V時(shí)，功耗僅為0.6 mW。在關(guān)斷模式下，ADP3336僅消耗1 µA。

圖2. ADA4096-2原理示意圖

電路描述

該電路是經(jīng)典的高端電流檢測電路拓撲結構，采用單個(gè)檢測電阻。其他四個(gè)電阻（雙通道1 kΩ/20 kΩ分壓器）處于薄膜網(wǎng)絡(luò )內（以實(shí)現比率匹配），用于設置差動(dòng)放大器增益。這將放大檢測電阻上產(chǎn)生的兩個(gè)電壓間的差異，并抑制共模電壓：
VOUT = (VA – VB) (20 kΩ/1 kΩ)

圖2顯示了 ADA4096-2的原理示意圖。輸入級包含兩個(gè)并行的差分對（Q1至Q4和Q5至Q8）。隨著(zhù)輸入共模電壓接近VCC- 1.5 V，Q1至Q4在I1到達最低順從電壓時(shí)關(guān)斷。相反，隨著(zhù)輸入共模電壓接近VEE+ 1.5 V，Q5至Q8在I2到達最低順從電壓時(shí)關(guān)斷。此拓撲結構可實(shí)現最大輸入動(dòng)態(tài)范圍，因為放大器在供電軌外的200 mV下（室溫）仍可處理輸入。

與任何軌到軌輸入放大器一樣，兩個(gè)輸入對之間的VOS失配決定放大器的CMRR。如果輸入共模電壓范圍保持在各供電軌1.5 V以?xún)?，輸入對之間的躍遷便可避免，從而將CMRR改進(jìn)約10 dB。

ADA4096-2輸入可保護器件不受最高超出各供電軌32 V的輸入電壓偏移的影響。此特性對存在電源時(shí)序控制問(wèn)題的應用特別重要，該問(wèn)題可導致信號源在施加放大器電源之前活動(dòng)。

圖3顯示通過(guò)低RDSON內部串聯(lián)FET（綠色曲線(xiàn)）提供 ADA4096-2的輸入電流限制能力，并與使用5 kΩ外部串聯(lián)電阻和無(wú)保護的運算放大器（紅色曲線(xiàn)）相比較。

圖3. 輸入電流限制能力

圖3是 ADA4096-2采用單位增益緩沖器配置時(shí)的情況，其中將電源連接至GND（或±15 V）并對正輸入掃描，直至輸入超過(guò)電源達32 V。一般而言，輸入電流在正過(guò)壓條件期間限于1 mA，在負欠壓條件期間限于200 µA。例如，在20 V過(guò)壓條件下， ADA4096-2輸入電流限于1 mA，從而提供等效于串聯(lián)20 kΩ電阻的電流限制。圖3還顯示，無(wú)論是否為放大器供電，電流限制電路均有效。

請注意，圖3僅代表異常條件下的輸入保護。正確的放大器工作輸入電壓范圍(IVR)見(jiàn) ADA4096-2數據手冊的表2至表4。

AD7920是一款12位、高速、低功耗逐次逼近型ADC，采用2.35 V至5.25 V單電源供電，最高吞吐量可達250 kSPS。該器件內置一個(gè)低噪聲、寬帶寬采樣保持放大器，可處理13 MHz以上的輸入頻率。

轉換過(guò)程和數據采集過(guò)程通過(guò)CS和串行時(shí)鐘SCLK進(jìn)行控制，從而為器件與微處理器或DSP接口創(chuàng )造了條件。輸入信號在CS的下降沿進(jìn)行采樣，而轉換同時(shí)在此處啟動(dòng)。該器件無(wú)流水線(xiàn)延遲。

AD7920采用先進(jìn)的設計技術(shù)，可在下述高吞吐速率的情況下實(shí)現極低的功耗，若要進(jìn)入關(guān)斷模式，必須在SCLK的第2個(gè)下降沿之后、第10個(gè)下降沿之前的任意時(shí)間將CS變?yōu)楦唠娖?，以中斷轉換過(guò)程。一旦CS在SCLK的此窗口內變?yōu)楦唠娖?，器件即進(jìn)入關(guān)斷模式，CS下降沿所啟動(dòng)的轉換終止，SDATA返回三態(tài)。如果CS在第2個(gè)SCLK下降沿之前變?yōu)楦唠娖?，則器件仍將處于正常模式，不會(huì )關(guān)斷。這可以避免CS線(xiàn)上的毛刺引起意外關(guān)斷。

若要退出這種工作模式并使 AD7920再次上電，需要執行一次偽轉換。在CS的下降沿，器件開(kāi)始上電，并且只要CS處于低電平便繼續上電，直到第10個(gè)SCLK的下降沿之后。經(jīng)過(guò)16個(gè)SCLK后，器件完全上電，下一次轉換將產(chǎn)生有效數據。

如果CS在第10個(gè)SCLK下降沿之前變?yōu)楦唠娖?，則 AD7920再次返回關(guān)斷模式。這可以避免CS線(xiàn)上的毛刺引起意外上電，或者CS位于低電平時(shí)8個(gè)SCLK周期意外爆發(fā)。雖然器件可以在CS的下降沿開(kāi)始上電，但只要不超過(guò)第10個(gè)SCLK下降沿，便會(huì )在CS的上升沿再次關(guān)斷。

有關(guān)時(shí)序的詳情請參見(jiàn) AD7920數據手冊。

測試結果

衡量該電路性能的一個(gè)重要指標是最終輸出電壓測量結果中的噪聲量。

圖4顯示了10,000個(gè)測量樣本的直方圖。該數據是利用連接到 EVAL-SDP-CB1Z系統演示平臺(SDP-B)評估板的CN-0241評估板獲得的。設置詳情參見(jiàn)本電路筆記的“電路評估與測試”部分。

電源設置為3.0 V，不關(guān)閉LDO的輸出，在250 kSPS的最大速率下采集10,000個(gè)數據樣本。圖4顯示了采集結果。峰峰值噪聲約為2 LSB，對應于大約0.3 LSB rms。

圖4. 關(guān)斷前10,000個(gè)樣本的碼字直方圖

接著(zhù)在軟件中將連接至ADP3336的SD關(guān)斷引腳置位低電平，從而關(guān)閉LDO輸出。約1分鐘后，再將ADP3336的關(guān)斷引腳置位高電平，重新開(kāi)啟輸出，并采集相同數量的數據樣本。圖5顯示了采集結果。

圖5. 關(guān)斷后10,000個(gè)樣本的碼字直方圖

上圖顯示，輸入處于高電平時(shí)， ADA4096-2 的輸出在關(guān)斷期間并未閂鎖。

常見(jiàn)變化

經(jīng)驗證，該電路能夠穩定地工作，并具有良好的精度。該板同時(shí)兼容系統演示平臺SDP-S控制板EVAL-SDP-CS1Z)。

圖1所示電路稍作更改，便可針對最高達+30 V的輸入電源電壓監控電流。 ADA4096-2的+V引腳并未連接到 ADP3336的+5 V，而是直接連接到受監控的輸入電源。在這種配置中， ADA4096-2直接采用輸入電源供電。

電路評估與測試

本電路使用EVAL-CN0241-SDPZ電路板和 EVAL-SDP-CB1Z 系統演示平臺SDP-B控制器板。這兩片板具有120引腳的對接連接器，可以快速完成設置并評估電路性能。 EVAL-CN0241-SDPZ板包含要評估的電路，如本筆記所述。SDP-B控制器板與CN0241評估軟件一起使用，可從 EVAL-CN0241-SDPZ電路板獲取數據。

設備要求

? 帶USB端口的Windows® XP、Windows Vista®（32位）或Windows® 7（32位）PC
? EVAL-CN0241-SDPZ電路評估板
? EVAL-SDP-CB1ZSDP-B控制器板
? CN0241 SDP評估軟件
? 能夠驅動(dòng)6 V/1 A的直流電源
? 能夠驅動(dòng)5 V/2.5 A的直流電源
? 2 Ω/12 W負載電阻

開(kāi)始使用

將CN0241評估軟件光盤(pán)放進(jìn)PC的光盤(pán)驅動(dòng)器，加載評估軟件。打開(kāi)“我的電腦”，找到包含評估軟件的驅動(dòng)器。

功能框圖

電路框圖參見(jiàn)本電路筆記的圖1，電路原理圖參見(jiàn)“EVAL-CN0241-SDPZ-SCH-RevA.pdf”文件。此文件位于 CN0241 Design Support Package中。

設置

EVAL-CN0241-SDPZ電路板上的120引腳連接器連接到 EVAL-SDP-CB1Z控制器(SDP-B)板上標有“CON A”的連接器。應使用尼龍五金配件，通過(guò)120引腳連接器兩端的孔牢牢固定這兩片板。在斷電情況下，將一個(gè)+6 V電源連接到板上標有“+6 V”和“GND”的引腳。如果有+6 V“壁式電源適配器”，可以將它連接到板上的管式連接器，代替+6 V電源。SDP-B板附帶的USB電纜連接到PC上的USB端口。注意：此時(shí)請勿將該USB電纜連接到SDP-B板上的微型USB連接器。

當準備好采集數據時(shí)，開(kāi)啟5 V/2.5 A直流電源。對電壓輸出做出相應調節，以輸出想要測量的電流量。
圖6顯示了CN0241 SDP評估軟件界面的屏幕截圖，圖7顯示了 EVAL-CN0241-SDPZ評估板的屏幕截圖。有關(guān)SDP-B板的信息，請參閱SDP-B用戶(hù)指南。

測試

為連接到EVAL-CN0241-SDPZ電路板的+6 V電源（或“壁式電源適配器”）通電。啟動(dòng)評估軟件，并通過(guò)USB電纜將PC連接到SDP-B板上的微型USB連接器。

一旦USB通信建立，就可以使用SDP-B板來(lái)發(fā)送、接收、捕捉來(lái)自EVAL-CN0241-SDPZ板的串行數據。
當準備好采集數據時(shí)，開(kāi)啟5 V/2.5 A直流電源。對電壓輸出做出相應調節，以輸出想要測量的電流量。
圖6顯示了CN0241 SDP評估軟件界面的屏幕截圖，圖7顯示了 EVAL-CN0241-SDPZ評估板的屏幕截圖。有關(guān)SDP-B板的信息，請參閱SDP-B User Guide。

圖6. CN0241 SDP評估軟件界面

圖7. 連接到SDP板的EVAL-CN0241-SDPZ評估板

CIRCUITS FROM THE LAB™實(shí)驗室電路

? 經(jīng)過(guò)構建和測試可以確保功能和性能的電路設計。
? 借助ADI公司眾多應用專(zhuān)業(yè)技術(shù)，解決了多種常見(jiàn)的模擬、RF/IF和混合信號設計挑戰。
? 配有完備的文檔，易于學(xué)習、理解和集成。