高電壓放大器把庫侖計數器范圍擴展至 ±270V

 作者：凌力爾特公司(現隸屬 Analog Devices 公司) 信號調理產品策略應用經理 Kris Lokere

庫侖計數器能夠測量流入或流出電池的電荷，而小的專用 IC 則可直接與約 20V 以下的中低電池電壓相連。通過采用一個高電壓放大器作為電平移位器，就能把測量電路的輸入工作范圍擴展至高得多的電壓。LT6375 電壓差動放大器具備一些可使該電路在極寬電壓范圍內準確工作的特性。

庫侖計數器的工作原理是測量一個檢測電阻器兩端的電壓，把它作為必需進行積分運算之電流的指示。圖 1 示出了當采用一款低電壓庫侖計數器 LTC2941 時的典型連接。重要的一點是：庫侖計數器真實地測量電壓，接著把它解譯為電流，然后將之作為電荷報告。通過去除檢測電阻器，并設法驅動庫侖計數器之檢測引腳兩端的另一個電壓，它將仍然把該電壓解譯為電流并報告一個累積電荷。

圖 1：低電壓庫侖計數器 (比如 LTC2941) 有助于簡化低電壓測量

在圖 2 中，LTC6375 的輸出連接至庫侖計數器的檢測引腳。該 IC 是一款差動放大器，這意味著它是連接了高精度電阻器的運放，旨在實現差分輸入電壓的電平移位。差動放大器的運作將其輸出電壓驅動至一個按下式計算的數值：

OUT = REF + GAIN ×[(+IN) – (-IN)]

LT6375 驅動其輸出引腳，但是 REF 引腳必須連接至一個低阻抗源。同樣，LTC2941 期望在其 SENSE+ 引腳 (它也是用于該 IC 的電源引腳) 上有一個低阻抗源。可把 REF 和 SENSE+ 引腳均連接至用于 I2C 接口的同一個邏輯電源軌 (例如：3.3V)。通過把 LT6375 的 OUT 引腳連接至 SENSE– 引腳，LT6375 將把其輸入之間的電壓差加在 LTC2941 的輸入兩端。實際上，LT6375 充當一個假的檢測電阻器。

圖 2：一個增設的電壓差動放大器擴展了可進行庫侖計數的電壓范圍

差動放大器的準確度在很大程度上取決于電阻器匹配。雖然顯而易見的是電阻器失配直接影響著增益準確度，但是不太明顯且更加嚴重的問題則是這種電阻器失配將引起失調誤差。1% 的電阻器失配將引起一個輸出失調，該失調等于電路在其上進行電平移位之電壓的 1%。

例如，一個電平移位至 3V 的 48V 輸入將導致 450mV 的失調誤差，對于此類測量來說該誤差是太大了。LT6375A 規(guī)定了一個 97dB 的最小共模抑制比 (CMRR)，這意味著一個 45V 的電平移位會引起一個小于 640μV 的失調。

當設計高電壓電平移位電路時，至關緊要的是確保運放的輸入處于其有效工作范圍之內。就 LT6375 而言，電源引腳額定在高達 60V，因此在某些場合中，可采用被測量的電壓為它供電。這是圖 2 中示出的配置，在此配置中 LT6375 測量一個 48V 電源供應的電流。最后，該 IC 包括額外的高精度電阻器，這些電阻器可由外部引腳進行配置以分割輸入共模范圍，同時保持差分增益等于 1 倍。在圖 3 中，輔助基準引腳全部連接至 5V 電源，這分割了 –42V 輸入電壓以將其置于運放的電源范圍之內。對于其他的應用，LT6375 內部的運放具有一種獨特的特性，憑借該特性其輸入能夠在高于電源引腳本身的電壓條件下工作。把這些特性組合起來，就能設計可跨一個 ±270V 輸入范圍監(jiān)視電源的電路。

圖 3：通過把輔助基準引腳連接至 5V 電源以分割 –42V 輸入電壓可將輸入置于運放的電源范圍之內