具有270V共模抑制性能的雙向隔離式高端電流檢測模

電路功能與優(yōu)勢

圖1所示電路能夠在直流電壓高達(dá)±270V的來源上監(jiān)控雙向電流，且線性誤差小于1%。負(fù)載電流通過一個(gè)電路外部的分流電阻。分流電阻值應(yīng)適當(dāng)選擇，使得在最大負(fù)載電流時(shí)分流電壓約為100mV。

AD629放大器精確測量和緩沖(G=1)小差分輸入電壓，并抑制最高270V的高共模電壓。

雙通道AD8622用于將AD629的輸出放大100倍。AD8475漏斗放大器則對信號(hào)進(jìn)行衰減(G=0.4)，將其從單端轉(zhuǎn)換成差分形式并進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，使其滿足AD7170Σ-Δ型ADC的模擬輸入電壓范圍要求。

電隔離由四通道隔離器ADuM5402提供。這不僅是為了提供保護(hù)，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+5.0V隔離電源。

AD7170的測量結(jié)果利用一個(gè)簡單的雙線SPI兼容串行接口，以數(shù)字代碼形式提供。

這一器件組合實(shí)現(xiàn)了一款精確的高壓正負(fù)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(diǎn)。

電路描述

該電路針對最大負(fù)載電流IMAX下100mV的滿量程分流電壓而設(shè)計(jì)。因此，分流電阻值為RSHUNT=(500mV)/(IMAX).

圖2所示的AD629是一款內(nèi)置薄膜電阻的差動(dòng)放大器，支持最高±270V的連續(xù)共模信號(hào)，并可提供高達(dá)±500V的瞬變保護(hù)。當(dāng)REF(+)和REF(−)接地時(shí)，該器件會(huì)將+IN引腳的信號(hào)衰減20倍，然后以20倍噪聲增益放大信號(hào)，從而在輸出端恢復(fù)原始幅度。

在500Hz時(shí)，AD629A的最小共模抑制比(CMRR)為77dB，AD629B。

為了維持理想的共模抑制性能，需要滿足幾項(xiàng)重要條件。首先，器件抑制這些共模信號(hào)的能力由電源電壓決定，如圖3所示。如果無法實(shí)現(xiàn)足夠電壓的雙電源，則共模抑制性能會(huì)下降。

其次，AD629應(yīng)僅采用內(nèi)部匹配薄膜電阻在單位增益模式下工作。若使用外部電阻來更改增益，則會(huì)因失配誤差而導(dǎo)致共模抑制性能下降。

AD8622是一款CMOS低功耗、精密、雙通道、軌到軌輸出運(yùn)算放大器，主要用于放大目標(biāo)信號(hào)。

通過級(jí)聯(lián)兩個(gè)增益為–10的反相增益級(jí)，AD629的100mV滿量程輸出會(huì)放大100倍，從而獲得10V滿量程信號(hào)。這些值可以是正值，也可以是負(fù)值，具體取決于電流方向。

AD8622的雙電源允許輸入和輸出信號(hào)在高于地和低于地之間擺動(dòng)，以便測量雙向輸入電流。

在轉(zhuǎn)換成數(shù)字字之前的信號(hào)鏈最后一級(jí)上，AD8622輸出電壓接受調(diào)理，以適合ADC的模擬輸入電壓范圍。

圖4所示的“漏斗放大器”AD8475提供兩個(gè)可選衰減系數(shù)（0.4和0.8）。此外，信號(hào)會(huì)轉(zhuǎn)換成差分形式，輸出端的共模電壓則由VOCM引腳上的電壓決定。采用5V單電源供電時(shí)，模擬輸入電壓范圍為±12.5V（對于單端輸入）。

如圖1所示，輸出共模電壓由電阻分壓器設(shè)置為2.5V，而電阻分壓器則由ADR435的5V基準(zhǔn)輸出驅(qū)動(dòng)。

該系統(tǒng)的主要噪聲源是AD629在0.1Hz至10Hz帶寬范圍內(nèi)的15μVp-p輸出噪聲。對于100mV滿量程信號(hào)，無噪聲代碼分辨率為：

AD8622的輸出噪聲僅為0.2μVp-p，與AD629相比可忽略不計(jì)。AD8475的輸出噪聲為2.5μVp-p，當(dāng)滿量程信號(hào)電平為4Vp-p時(shí)同樣可忽略不計(jì)。

注意，AD7170的電源電壓由四通道隔離器ADuM5402的隔離電源輸出(+5.0VISO)提供。

AD7170的基準(zhǔn)電壓由ADR435精密XFET®基準(zhǔn)電壓源提供。ADR435的初始精度為±0.12%（A級(jí)），典型溫度系數(shù)為2ppm/°C。ADR435具有7.0V至18.0V的寬工作范圍，采用+15.0V供電軌作為電源。

雖然AD7170VDD和REFIN(+)都可以采用5.0V電源，但使用獨(dú)立的基準(zhǔn)電壓源可提供更高的精度。

AD7170ADC的輸入電壓在ADC的輸出端轉(zhuǎn)換為偏移二進(jìn)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(hù)下游數(shù)字電路，使其不受高共模電壓影響，以免發(fā)生故障。

代碼在PC中利用SDP硬件板和LabVIEW軟件進(jìn)行處理。

圖5比較了LabVIEW記錄的ADC輸出端代碼與基于理想系統(tǒng)而計(jì)算的理想代碼。圖中顯示該電路如何在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)（−100mV至+100mV）實(shí)現(xiàn)不足0.5%的端點(diǎn)線性誤差。如果需要，可以使用軟件校準(zhǔn)消除失調(diào)誤差和增益誤差。

PCB布局考慮

在任何注重精度的電路中，必須仔細(xì)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。有關(guān)布局布線和接地的詳細(xì)論述，請參考教程MT-031；有關(guān)去耦技術(shù)的信息，請參考教程MT-101。

AD7170和ADuM5402的電源應(yīng)當(dāng)用10μF和0.1μF電容去耦，以適當(dāng)?shù)匾种圃肼暡p小紋波。這些電容應(yīng)盡可能靠近相應(yīng)器件，0.1μF電容應(yīng)具有低ESR值。對于所有高頻去耦，建議使用陶瓷電容。

應(yīng)仔細(xì)考慮ADuM5402原邊和副邊之間的隔離間隙。EVAL-CN0240-SDPZ電路板通過拉回頂層上的多邊形或器件，并將其與ADuM5402上的引腳對齊來使該距離最大。