利用精密儀表放大器實(shí)現(xiàn)負(fù)壓電流檢測

監(jiān)測正電源的電流時(shí)，通常使用高邊檢流放大器。然而，對于ISDN、電信電源，通常需要一個(gè)工作在負(fù)電源的檢流放大器。本文介紹了一種采用MAX4460單電源儀表放大器設(shè)計(jì)負(fù)壓檢流放大器的方法。

圖1所示電路提供了一種負(fù)電源電流檢測的原理框圖，利用MAX4460或MAX4208儀表放大器，配合一些分立元件實(shí)現(xiàn)。
齊納二極管D1在保證儀表放大器具有足夠的供電電壓的前提下為其提供過壓保護(hù)。被監(jiān)測電流通過檢流電阻RSENSE流入負(fù)電源。儀表放大器必需采用單電源供電并具有地電位檢測能力。

MAX4460的輸出提供MOSFET M1的柵極驅(qū)動，負(fù)反饋環(huán)路確保電阻R3兩端的電壓等于RSENSE兩端的電壓VSENSE。相應(yīng)地，由R3建立與負(fù)載電流成正比的電流：

IOUT = (ILOAD × RSENSE)/R3 = VSENSE/R3 (1)

R2的選擇需保證輸出電壓在后級電路(通常是ADC)所要求的電壓范圍內(nèi)。漏源擊穿電壓需要高于兩個(gè)電源電壓的和(這里為+125V)。如果ADC不是高阻輸入，則在輸出VOUT端需要加一個(gè)額外的緩沖放大器。如果在故障情況下，檢測電流上升到額定值以上，輸入電壓變成負(fù)值。二極管D2可以將輸出端的負(fù)壓限制到一個(gè)二極管的壓降，為后級ADC提供保護(hù)。

上述設(shè)計(jì)可以很容易地用于高壓、負(fù)電源的電流檢測。選擇-120V作為負(fù)電源，按照以下步驟設(shè)計(jì)，即可獲得不同電源電壓下的電流檢測放大器。

給齊納管提供一個(gè)偏壓，使其工作在傳輸特性上動態(tài)電阻較低的工作點(diǎn)(例如，在其進(jìn)入反向擊穿的區(qū)域)，這樣可以消除PSRR誤差。齊納電壓在靠近擊穿電壓的位置不是很穩(wěn)定。通常將偏置點(diǎn)設(shè)置在額定功率規(guī)定的最大電流的25%。這個(gè)偏置點(diǎn)具有較低的動態(tài)電阻，而且不會消耗很大功率。按照下式選擇電阻R1，使電路工作在所要求的偏置點(diǎn)。

IR1 = ( VCC + |VNEG| - VZ )/R1 = IS + IZ (2)

其中：VCC是正電源電壓，VZ是齊納管穩(wěn)定電壓，|VNEG|是負(fù)電源電壓絕對值，IS是MAX4460的電源電流，IZ是流過齊納管的電流。

R1必須具有適當(dāng)?shù)念~定功率，能夠承受兩端的高壓。也可以利用串、并組合降低對電阻額定功率得要求。

選擇N溝道MOSFET或JFET時(shí)，需保證漏源之間的額定擊穿電壓大于|VNEG| + VCC。這一點(diǎn)對于負(fù)壓較高的情況非常重要。

選擇RSENSE時(shí)，需保證滿量程電壓，RSENSE兩端的檢測電壓，小于等于100mV。

R3的選擇比較靈活，主要受以下2個(gè)條件的影響：

(1)R3減小時(shí)，從式1可以看出，對于固定增益，功耗將增大。

(2)FET的熱噪聲和漏電流決定了選擇R3的上限。

選擇R2和R3的電阻比等于檢流放大器的電壓增益，輸出電壓為：

VOUT = VCC - IOUT × R2 (3)

從式1和式3可以得到：

VOUT=VCC-(VSENSE×R2/R3)

對于VSENSE：

電壓增益，Av = -R2/R3 (4)

負(fù)號表示輸出電壓與輸入檢測電壓是反相關(guān)系。從式4可以求解得出R2。

圖4給出了輸出電壓與檢測電壓的對應(yīng)關(guān)系。以下典型參數(shù)用于檢流放大器的推導(dǎo)：

輸入失調(diào)電壓 = (5 - 4.9831)/49.942= 338mV

增益= -49.942

本文介紹了用精密儀表放大器MAX4460實(shí)現(xiàn)負(fù)電源電流檢測的方案?？梢愿鶕?jù)上述設(shè)計(jì)步驟重新設(shè)計(jì)電路，用于監(jiān)測不同的負(fù)壓電源。

參考文獻(xiàn)

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2. Ken Yang, “Precision Circuit Monitors Negative Supply Current,” Power Electronics Technology, September 1, 2005, p-78.

3. Huijsing; Johan Hendrik (Schipluiden, NL), Shahi; Behzad (San Jose, CA), “GM-controlled current-isolated indirect-feedback instrumentation amplifier,” U. 　　　S. Patent 6,559,720, October 26, 2001.

4. Maxim Integrated Products, Application Note 4034, “Three is a crowd for Instrumentation Amplifiers,” April 12, 2007