具有270V共模抑制性能的雙向隔離式高端電流檢測(cè)模塊

電路功能與優(yōu)勢(shì)

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(cè)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(duì)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(cè)量結(jié)果利用一個(gè)簡(jiǎn)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(cè)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(duì)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(cè)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(duì)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(duì)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(qǐng)參考教程MT-031；有關(guān)去耦技術(shù)的信息，請(qǐng)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(duì)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(duì)齊來使該距離最大。

電源走線應(yīng)盡可能寬，以提供低阻抗路徑，并減小電源線路上的毛刺效應(yīng)。時(shí)鐘和其它快速開關(guān)的數(shù)字信號(hào)應(yīng)通過數(shù)字地將其與電路板上的其它器件屏蔽開。

常見變化

關(guān)于正負(fù)電源的高端檢測(cè)，目前有多種解決方案可用，包括使用電流檢測(cè)放大器、差動(dòng)放大器或二者組合的IC解決方案。請(qǐng)參考下列電路筆記中介紹的電路：CN0100,CN0188,CN0218。

“高端電流檢測(cè)：差動(dòng)放大器與電流檢測(cè)放大器”一文（《模擬對(duì)話》，2008年1月）介紹了電流檢測(cè)放大器和差動(dòng)放大器的使用。

電路評(píng)估與測(cè)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(xùn)、懂得高壓電路操作的專業(yè)人員，否則請(qǐng)勿操作、評(píng)估或測(cè)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(xiàng)。

本電路使用EVAL-CN0240-SDPZ電路板和EVAL-SDP-CB1Z系統(tǒng)演示平臺(tái)(SDP)評(píng)估板。這兩片板具有120引腳的對(duì)接連接器，可以快速完成設(shè)置并評(píng)估電路性能。EVAL-CN0240-SDPZ板包含要評(píng)估的電路，如本筆記所述。SDP評(píng)估板與CN0240評(píng)估軟件一起使用，可從EVAL-CN0240-SDPZ電路板獲取數(shù)據(jù)。

設(shè)備要求

帶USB端口的WindowsXP、WindowsVista（32位）或Windows7（32位）PC

EVAL-CN0240-SDPZ電路評(píng)估板

EVAL-SDP-CB1ZSDP評(píng)估板

CN0240評(píng)估軟件

電源：+6V(1A)或+6V壁式電源適配器

雙電源：±15V(10mA)

最大負(fù)載電流下最大電壓為100mV的分流電阻

電源電壓和電子負(fù)載

開始使用

將CN0218評(píng)估軟件光盤放進(jìn)PC的光盤驅(qū)動(dòng)器，加載評(píng)估軟件。打開“我的電腦”，找到包含評(píng)估軟件光盤的驅(qū)動(dòng)器，打開Readme文件。按照Readme文件中的說明安裝和使用評(píng)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-CN0240-SDPZ-SCH.pdf文件。此文件位于CN0240設(shè)計(jì)支持包中：

設(shè)置

EVAL-CN0240-SDPZ電路板上的120引腳連接器連接到EVAL-SDP-CB1Z(SDP)評(píng)估板上標(biāo)有“CONA”的連接器。應(yīng)使用尼龍五金配件，通過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)跨接在J4輸入引腳上，一個(gè)負(fù)載接地，如圖1所示。在斷電情況下，將一個(gè)+6V電源連接到板上標(biāo)有“+6V”和“GND”的引腳。如果有+6V“壁式電源適配器”，可以將它連接到板上的管式連接器，代替+6V電源。SDP板附帶的USB電纜連接到PC上的USB端口。注：此時(shí)請(qǐng)勿將該USB電纜連接到SDP板上的微型USB連接器。

必須連接系統(tǒng)地和PCB隔離地，以保證正確電平和正常工作。通過測(cè)試點(diǎn)31和測(cè)試點(diǎn)32可以訪問正確形成此連接所需的GND_ISO。

最后，向連接器J4施加任何高電壓之前，必須確保已正確連接并打開±15V電源(J5)。如果此電源未打開，高電壓可能會(huì)損壞U2、AD629以及PCB上的數(shù)個(gè)其它元件。

測(cè)試

為連接到EVAL-CN0240-SDPZ電路板的+6V電源（或“壁式電源適配器”）通電。將±15V電源連接到EVAL-CN0240-SDPZ板的U12三引腳螺紋連接器。啟動(dòng)評(píng)估軟件，并通過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板來發(fā)送、接收、捕捉來自EVAL-CN0240-SDPZ板的串行數(shù)據(jù)。隨著電子負(fù)載的逐級(jí)調(diào)整，可以記錄不同負(fù)載電流值下的數(shù)據(jù)。有關(guān)如何使用評(píng)估軟件來捕捉數(shù)據(jù)的詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱CN0240評(píng)估軟件Readme文件。

更多資訊請(qǐng)關(guān)注：21ic模擬頻道