ADI实验室电路:共模直流电压电路监控系统

2012-12-28

电路功能与优势

图1所示电路监控系统中的电流，可在高达+500 V的正高共模直流电压下工作，且误差小于0.2%。负载电流通过一个电路外部的分流电阻。分流电阻值应适当选择，使得在最大负载电流时分流电压约为500 mV。

图1：高共模电压电流监控器（未显示所有连接和去耦）

与外部PNP晶体管配合使用时， AD8212 能在具有大于500 V的正高共模电压情况下，精确放大小差分输入电压。

电流隔离由四通道隔离器ADuM5402 提供。这不仅是为了提供保护，而且还可将下游电路与高共模电压隔离开来。除了隔离输出数据以外，数字隔离器ADuM5402还为电路提供+3.3 V隔离电源。

AD7171 的测量结果通过一个简单的双线SPI兼容型串行接口，以数字码形式提供。

这一器件组合实现了一款精确的正高压供电轨电流检测解决方案，具有器件数量少、低成本、低功耗的特点。

电路描述

该电路针对最大负载电流IMAX下500 mV的满量程分流电压而设计。因此，分流电阻值为RSHUNT = （500 mV）/（IMAX）。

AD8212工艺具有65 V的击穿电压限制。因此，共模电压必须保持在65 V以下。通过采用外部PNP BJT晶体管，共模电压范围可以扩展到500 V以上，具体取决于晶体管的击穿电压。

图2：AD8212采用外部PNP晶体管的高压工作模式

AD8212没有专用电源。相反，该器件实际上利用一个内部5 V串联调节器使自身“浮动”脱离500 V共模电压，从而创建出一个5 V电源，如图2所示。此调节器确保所有端子中的最大负端COM（引脚2）始终要比电源电压（V+）低5 V。

在此工作模式下，AD8212电路的电源电流（IBIAS））完全基于电源电压范围和所选的RBIAS电阻值。例如，对于V+ = 500 V和RBIAS = 500 kΩ，

IBIAS = （500 V −5 V）/RBIAS = 990 μA。

在此高电压模式下， IBIAS应当介于200 μA和1 mA之间。这样可以确保偏置电路处于激活状态，从而让器件可以正常工作。

注意，500 kΩ偏置电阻（5 × R2）由五个单独的100 kΩ电阻构成。这是为了提供保护，以防电阻电压击穿。通过消除电阻串正下方的接地层，可以增加额外的击穿保护。

流经外部分流电阻的负载电流在AD8212的输入端产生电压。内部放大器A1通过促使晶体管Q1籍由电阻R1传导必要电流做出响应，以均衡放大器A1反相和同相输入端处的电位。

流过晶体管Q1发射极的电流（IOUT）与输入电压（VSENSE）成比例，因此也就与流过分流电阻（ILOAD）的负载电流（RSHUNT）成比例。输出电流（IOUT）通过外部电阻转换成电压，而外部电阻值取决于应用中所需的输入至输出增益。

AD8212的传递函数为：

IOUT = gm × VSENSE

VSENSE = ILOAD × RSHUNT

VOUT = IOUT × ROUT

VOUT = （VSENSE × ROUT）/1000 gm = 1000 μA/V

输入检测电压具有固定范围，即0 V至500 mV。输出电压范围可以根据ROUT值进行调整。当VSENSE发生1 mV变化时，即可在IOUT上产生1 mA变化，而当后者流过5 kΩ电阻时，又会在VOUT处产生1 mV变化。

在图1所示电路中，负载电阻为24.9 kΩ，因此增益为5。500 mV的满量程输入电压会产生2.5 V输出，这对应于AD7171 ADC的满量程输入范围。

AD8212输出设计用于驱动高阻抗节点。因此，如果与转换器接口，则建议对ROUT两端的输出电压进行缓冲，以保证AD8212的增益不受影响。

注意， ADR381 和AD7171的电源电压由四通道隔离器ADuM5402的隔离电源输出（+3.3 VISO）提供。

AD7171的基准电压由精密带隙基准电压源ADR381提供。ADR381的初始精度为±0.24%，典型温度系数为5 ppm/°C。

虽然AD7171 VDD和REFIN（+）都可以采用3.3 V电源，但使用独立的基准电压源可提供更高的精度。可选择2.5 V基准电压源来提供充足的裕量。

AD7171 ADC的输入电压在ADC的输出端转换为偏移二进制码。ADuM5402为DOUT数据输出、SCLK输入和 PDRST 输入提供隔离。虽然隔离器是可选器件，但建议使用该器件来保护下游数字电路，使其不受故障状况下的高共模电压影响。

代码在PC中利用SDP硬件板和LabVIEW软件进行处理。

图3中的曲线图显示，受测试的电路如何在整个输入电压范围（0 mV至500 mV）实现了不足0.2%的误差。另外还比较了LabVIEW记录的ADC输出代码与基于理想系统而计算的理想代码。

图3：输出和误差与分流电压的关系图

PCB布局考虑

在任何注重精度的电路中，必须仔细考虑电路板上的电源和接地回路布局。PCB应尽可能隔离数字部分和模拟部分。本PCB采用4层板堆叠而成，具有较大面积的接地层和电源层多边形。

常见变化

关于正电源的高端检测，目前有多种解决方案可用，包括使用检测放大器、差动放大器或二者某种组合的IC解决方案。

图4：正共模电压大于+65 V时的双向电流检测

图4显示了一种可选电路，需要针对大于+65 V的正共模电压进行双向电流检测时可以使用该电路。通过在该配置中实施另一个AD8212，可以分别测量电荷和负载电流。注意，VOUT1会随着ILOAD流过分流电阻而不断升高。VOUT2会随着ICHARGE流过分流电阻而不断升高。

电路评估与测试

警告！高电压。此电路可能包含致命电压。除非是接受过相关培训、懂得高压电路操作的专业人员，否则请勿操作、评估或测试此电路，或者进行电路板装配。加电之前，必须先熟悉该电路以及高压电路操作的所有必要注意事项。

本电路使用EVAL-CN0218-SDPZ电路板和EVAL-SDP-CB1Z系统演示平台（SDP）评估板。这两片板具有120引脚的对接连接器，可以快速完成设置并评估电路性能。EVAL-CN0218-SDPZ板包含要评估的电路，如本笔记所述。SDP评估板与CN0218评估软件一起使用，可从EVAL-CN0218-SDPZ电路板获取数据。

设备要求

带USB端口的Windows® XP、Windows Vista®（32位）或Windows® 7（32位）PC

EVAL-CN0218-SDPZ电路评估板

EVAL-SDP-CB1Z SDP评估板

CN0218评估软件

电源电压：+6 V或+6 V壁式电源适配器

最大负载电流下最大电压为500 mV的分流电阻

电子负载

开始使用

将CN0218评估软件光盘放进PC的光盘驱动器，加载评估软件。打开我的电脑摂，找到包含评估软件光盘的驱动器，打开Readme文件。按照Readme文件中的说明安装和使用评估软件。

功能框图

电路的功能框图参见本电路笔记的图1，电路原理图参见EVAL-CN0218-SDPZ-SCH.pdf文件。此文件位于CN0218设计支持包中