[讨论] 在负的大电压下检测电流的放大器电路

在电信和其它使用高电压负电源轨的场合，可将一个仪表放大器与独立元件简单结合，实现大电流检测以保护电路。高端大电流检测放大器（CSA）主要用于正电源轨电流监测。然而，诸如ISDN和电信电源类应用需要采用工作在负电源轨的CSA。设计负电源轨CSA的一种方法是使用一个精密仪表放大器IC和几个分立元件。 　　以前有一篇文章讨论了一种类似方法，就是采用一个双电源运放检测-5V电源轨的电流。不过在该文中，设计扩展到了使用了一个工作在单电源轨的放大器IC来检测非常高的负轨电压。本文给出的例子虽是针对-120V电源，但本设计可进行修改，实现对其它电压水平负电压轨的监测。
　　应用示例
　　图1为一个典型电话交换机功率分布网络的结构图。一个整流器将主电源的交流电转换成直流电，整流器的直流输出用来给一个48V铅酸电池充电。此电池通过电话线给用户电话供电，因此用户端不必要使用备用电池。
　　电池极性相连，因此线电压为负（-48V）。线电压为负能降低潮湿电话线的电化学反应腐蚀。电信网络也使用多个直流-直流转换器，从-48V直流输入得到中间电源轨。这些中间电源轨给电话交换机、无线电设备、路由器、ATX计算机及其它电子设备供电。
　　如果负载电流超过最大额定值，故障状态就会发生，就可能损害电源；因此，需要有输出保护。有一种经过了长时间考验的方法，就是用一个CSA和一个功率晶体管构成电路断路开关。此CSA强化了检测电阻上的小电压降，该检测电阻为外加的，与电池串联。每当电池电流升高到最大额定值时，电路断路开关被触发，最大额定值一般为标称电流的120%～140%。
　　检测电阻既可置于负载和地之间（低端电流检测），也可放在负载和48V电池负端（高端电流检测）之间。这两种备选方法需要在不同方面作出权衡。低端电阻给对地路径上增加了不期望的电阻。此外，不是所有故障都能用低端方案检测到。
　　高端或负电源电流检测必须处理大电源及共模信号，但这种方法可以检测到广泛存在的接地面的不引人注意的短路所引起的任何故障。本文论述的CSA采用高端方法。
　　电路描述
　　图2的电路为一种实现负电源轨电流检测框图。其中采用了一个仪表放大器，如MAX4460 或MAX4208，以及一些分立元件。
　　MAX4460/MAX4208是采用称作间接电流反馈的一种新颖架构设计的仪表放大器。这种拓扑结构可以使输入共模电压范围包含地（即放大器的负轨），这与传统三运放架构不同。
　　在间接电流反馈架构中，通过RSENSE的负载电流在仪表放大器的IN+和IN-间产生一差分电压。该差分电压通过跨导放大器gM1转化成内部差分电流。跨导相同的跨导放大器gM2的作用是，通过在一个负反馈环内使用高增益放大器消除掉此内部差分电流。因为跨导匹配，反馈动作重建了引脚FB和GND上的IN+和IN-间的输入差分电压。
　　MAX4460的输出给MOSFET M1提供合适的栅极驱动。电阻R3上的电压降等于RSENSE上的电压VSENSE。因此，R3设置了一个与负载电流成比例的电流：
　　MOSFET的额定漏-源极击穿电压必须大于两电源轨间的总电压降（本例中为+125 V）。选择R2，使输出电压位于后续电路需要的电压范围之内，后续电路通常为一模数转换器（ADC）。R2和R3设置CSA增益，后面将对此予以说明。如果此ADC输入阻抗不高，可以在VOUT端附加一运放缓冲。
　　在电信和其它使用高电压负电源轨的场合，可将一个仪表放大器与独立元件简单结合，实现大电流检测以保护电路。高端大电流检测放大器（CSA）主要用于正电源轨电流监测。然而，诸如ISDN和电信电源类应用需要采用工作在负电源轨的CSA。设计负电源轨CSA的一种方法是使用一个精密仪表放大器IC和几个分立元件。