ADI實(shí)驗室電路:共模直流電壓電路監控系統

電路功能與優(yōu)勢

圖1所示電路監控系統中的電流，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(guò)一個(gè)電路外部的分流電阻。分流電阻值應適當選擇，使得在最大負載電流時(shí)分流電壓約為500 mV。

圖1：高共模電壓電流監控器（未顯示所有連接和去耦）

與外部PNP晶體管配合使用時(shí)， 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(kāi)來(lái)。除了隔離輸出數據以外，數字隔離器ADuM5402還為電路提供+3.3 V隔離電源。

AD7171 的測量結果通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的雙線(xiàn)SPI兼容型串行接口，以數字碼形式提供。

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

電路描述

該電路針對最大負載電流IMAX下500 mV的滿(mǎn)量程分流電壓而設計。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(guò)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(méi)有專(zhuān)用電源。相反，該器件實(shí)際上利用一個(gè)內部5 V串聯(lián)調節器使自身“浮動(dòng)”脫離500 V共模電壓，從而創(chuàng )建出一個(gè)5 V電源，如圖2所示。此調節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(gè)單獨的100 kΩ電阻構成。這是為了提供保護，以防電阻電壓擊穿。通過(guò)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A(yíng)D8212的輸入端產(chǎn)生電壓。內部放大器A1通過(guò)促使晶體管Q1籍由電阻R1傳導必要電流做出響應，以均衡放大器A1反相和同相輸入端處的電位。

流過(guò)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(guò)分流電阻（ILOAD） 的負載電流（RSHUNT）成比例。輸出電流 （IOUT）通過(guò)外部電阻轉換成電壓，而外部電阻值取決于應用中所需的輸入至輸出增益。

AD8212的傳遞函數為：

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ROUT值進(jìn)行調整。當VSENSE發(fā)生1 mV變化時(shí)，即可在IOUT上產(chǎn)生1 mA變化，而當后者流過(guò)5 kΩ電阻時(shí)，又會(huì )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(mǎn)量程輸入電壓會(huì )產(chǎn)生2.5 V輸出，這對應于A(yíng)D7171 ADC的滿(mǎn)量程輸入范圍。

AD8212輸出設計用于驅動(dòng)高阻抗節點(diǎn)。因此，如果與轉換器接口，則建議對ROUT兩端的輸出電壓進(jìn)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(lái)提供充足的裕量。

AD7171 ADC的輸入電壓在A(yíng)DC的輸出端轉換為偏移二進(jìn)制碼。ADuM5402為DOUT數據輸出、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(lái)保護下游數字電路，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(jìn)行處理。

圖3中的曲線(xiàn)圖顯示，受測試的電路如何在整個(gè)輸入電壓范圍（0 mV至500 mV）實(shí)現了不足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應盡可能隔離數字部分和模擬部分。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(jiàn)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(dòng)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(shí)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(jìn)行雙向電流檢測時(shí)可以使用該電路。通過(guò)在該配置中實(shí)施另一個(gè)AD8212，可以分別測量電荷和負載電流。注意，VOUT1會(huì )隨著(zhù)ILOAD流過(guò)分流電阻而不斷升高。VOUT2會(huì )隨著(zhù)ICHARGE流過(guò)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(guò)相關(guān)培訓、懂得高壓電路操作的專(zhuān)業(yè)人員，否則請勿操作、評估或測試此電路，或者進(jìn)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電路板獲取數據。

設備要求

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(kāi)始使用

將CN0218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)我的電腦摂，找到包含評估軟件光盤(pán)的驅動(dòng)器，打開(kāi)Readme文件。按照Readme文件中的說(shuō)明安裝和使用評估軟件。

功能框圖

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

設置

EVAL-CN0218-SDPZ電路板上的120引腳連接器連接到EVAL-SDP-CB1Z （SDP）評估板上標有“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。

將一個(gè)分流電阻（RSHUNT

測試

為連接到EVAL-CN0218-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板上的微型USB連接器。

一旦USB通信建立，就可以使用SDP板來(lái)發(fā)送、接收、捕捉來(lái)自EVAL-CN0218-SDPZ板的串行數據。隨著(zhù)電子負載的逐級調整，可以記錄不同負載電流值下的數據。

有關(guān)如何使用評估軟件來(lái)捕捉數據的詳細信息，請參閱CN0218評估軟件Readme文件。