具有270V共模抑制性能的雙向隔離式高端電流檢測模塊

電路功能與優(yōu)勢圖1所示電路能夠在直流電壓高達±270 V的來源上監(jiān)控雙向電流，且線性誤差小于1%。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(dāng)選擇，使得在最大負載電流時分流電壓約為100 mV。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270 V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進行衰減(G = 0.4)，將其從單端轉(zhuǎn)換成差分形式并進行電平轉(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，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+5.0 V隔離電源。AD7170的測量結(jié)果利用一個簡單的雙線SPI兼容串行接口，以數(shù)字代碼形式提供。這一器件組合實現(xiàn)了一款精確的高壓正負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。圖1. 高共模電壓雙向隔離式電流監(jiān)控器（未顯示所有連接和去耦）電路描述該電路針對最大負載電流IMAX下100 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).圖2所示的AD629是一款內(nèi)置薄膜電阻的差動放大器，支持最高±270 V的連續(xù)共模信號，并可提供高達±500 V的瞬變保護。當(dāng)REF(+)和REF(−)接地時，該器件會將+IN引腳的信號衰減20倍，然后以20倍噪聲增益放大信號，從而在輸出端恢復(fù)原始幅度。圖2. AD629高共模電壓差動放大器在500 Hz時，AD629A的最小共模抑制比(CMRR)為77 dB，AD629B。為了維持理想的共模抑制性能，需要滿足幾項重要條件。首先，器件抑制這些共模信號的能力由電源電壓決定，如圖3所示。如果無法實現(xiàn)足夠電壓的雙電源，則共模抑制性能會下降。圖3. AD629共模電壓范圍與電源電壓的關(guān)系其次，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、軌到軌輸出運算放大器，主要用于放大目標信號。通過級聯(lián)兩個增益為–10的反相增益級，AD629的100 mV滿量程輸出會放大100倍，從而獲得10 V滿量程信號。這些值可以是正值，也可以是負值，具體取決于電流方向。AD8622的雙電源允許輸入和輸出信號在高于地和低于地之間擺動，以便測量雙向輸入電流。在轉(zhuǎn)換成數(shù)字字之前的信號鏈最后一級上，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提供兩個可選衰減系數(shù)（0.4和0.8）。此外，信號會轉(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5 V單電源供電時，模擬輸入電壓范圍為±12.5 V（對于單端輸入）。圖4. AD8475漏斗放大器如圖1所示，輸出共模電壓由電阻分壓器設(shè)置為2.5 V，而電阻分壓器則由ADR435的5 V基準輸出驅(qū)動。該系統(tǒng)的主要噪聲源是AD629在0.1 Hz至10 Hz帶寬范圍內(nèi)的15 μV p-p輸出噪聲。對于100 mV滿量程信號，無噪聲代碼分辨率為：AD8622的輸出噪聲僅為0.2 μV p-p，與AD629相比可忽略不計。AD8475的輸出噪聲為2.5 μV p-p，當(dāng)滿量程信號電平為4 V p-p時同樣可忽略不計。注意，AD7170的電源電壓由四通道隔離器ADuM5402的隔離電源輸出(+5.0 VISO)提供。AD7170的基準電壓由ADR435精密XFET®基準電壓源提供。ADR435的初始精度為±0.12%（A級），典型溫度系數(shù)為2 ppm/°C。ADR435具有7.0 V至18.0 V的寬工作范圍，采用+15.0 V供電軌作為電源。雖然AD7170 VDD和REFIN(+)都可以采用5.0 V電源，但使用獨立的基準電壓源可提供更高的精度。AD7170 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)而計算的理想代碼。圖中顯示該電路如何在整個輸入電壓范圍內(nèi)（−100 mV至+100 mV）實現(xiàn)不足0.5%的端點線性誤差。如果需要，可以使用軟件校準消除失調(diào)誤差和增益誤差。圖5. 實際代碼、理想代碼、誤差百分比與分流電壓的關(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。有關(guān)布局布線和接地的詳細論述，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10 μF和0.1 μF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，0.1 μF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。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)。時鐘和其它快速開關(guān)的數(shù)字信號應(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)于正負電源的高端檢測，目前有多種解決方案可用，包括使用電流檢測放大器、差動放大器或二者組合的IC解決方案。請參考下列電路筆記中介紹的電路：CN0100,CN0188,CN0218。“高端電流檢測：差動放大器與電流檢測放大器”一文（《模擬對話》，2008年1月）介紹了電流檢測放大器和差動放大器的使用。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(xùn)、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-CN0240-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-CN0240-SDPZ板包含要評估的電路，如本筆記所述。SDP評估板與CN0240評估軟件一起使用，可從EVAL-CN0240-SDPZ電路板獲取數(shù)據(jù)。設(shè)備要求帶USB端口的Windows XP、Windows Vista（32位）或Windows 7（32位）PCEVAL-CN0240-SDPZ電路評估板EVAL-SDP-CB1Z SDP評估板CN0240評估軟件電源：+6 V (1 A)或+6 V壁式電源適配器雙電源：±15 V (10 mA)最大負載電流下最大電壓為100 mV的分流電阻電源電壓和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”，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-CN0240-SDPZ-SCH.pdf文件。此文件位于CN0240設(shè)計支持包中：設(shè)置EVAL-CN0240-SDPZ電路板上的120引腳連接器連接到EVAL-SDP-CB1Z (SDP)評估板上標有“CON A”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。將一個分流電阻(RSHUNT)跨接在J4輸入引腳上，一個負載接地，如圖1所示。在斷電情況下，將一個+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板附帶的USB電纜連接到PC上的USB端口。注：此時請勿將該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。通過測試點31和測試點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±15 V電源(J5)。如果此電源未打開，高電壓可能會損壞U2、AD629以及PCB上的數(shù)個其它元件。測試為連接到EVAL-CN0240-SDPZ電路板的+6 V電源（或“壁式電源適配器”）通電。將±15 V電源連接到EVAL-CN0240-SDPZ板的U12三引腳螺紋連接器。啟動評估軟件，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)。隨著電子負載的逐級調(diào)整，可以記錄不同負載電流值下的數(shù)據(jù)。有關(guān)如何使用評估軟件來捕捉數(shù)據(jù)的詳細信息，請參閱CN0240評估軟件Readme文件。有關(guān)SDP板的信息，請參閱SDP用戶指南。CIRCUITS FROM THE LAB實驗室電路

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