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270V共模抑制双向隔离式高端电流检测电路设计

我爱方案网| 共模抑制,电流检测,ADI| 2012-11-27
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导读:本文所描述的电路能够在直流电压高达±270 V的来源上监控双向电流,且线性误差小于1%。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100 mV。

电路功能与优势

图1所示电路能够在直流电压高达±270 V的来源上监控双向电流,且线性误差小于1%。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100 mV。

AD629放大器精确测量和缓冲(G = 1)小差分输入电压,并抑制最高270 V的高共模电压。

双通道AD8622用于将AD629的输出放大100倍。AD8475漏斗放大器则对信号进行衰减(G = 0.4),将其从单端转换成差分形式并进行电平转换,使其满足AD7170 Σ-Δ型ADC的模拟输入电压范围要求。

电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+5.0 V隔离电源。

AD7170的测量结果利用一个简单的双线SPI兼容串行接口,以数字代码形式提供。

这一器件组合实现了一款精确的高压正负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。

高共模电压双向隔离式电流监控器(未显示所有连接和去耦)
图1 高共模电压双向隔离式电流监控器(未显示所有连接和去耦)

电路描述

该电路针对最大负载电流IMAX下100 mV的满量程分流电压而设计。因此,分流电阻值为RSHUNT = (500 mV)/(IMAX).

图2所示的AD629是一款内置薄膜电阻的差动放大器,支持最高±270 V的连续共模信号,并可提供高达±500 V的瞬变保护。当REF(+)和REF(-)接地时,该器件会将+IN引脚的信号衰减20倍,然后以20倍噪声增益放大信号,从而在输出端恢复原始幅度。

AD629高共模电压差动放大器
图2  AD629高共模电压差动放大器

在500 Hz时,AD629A的最小共模抑制比(CMRR)为77 dB,AD629B。

为了维持理想的共模抑制性能,需要满足几项重要条件。首先,器件抑制这些共模信号的能力由电源电压决定,如图3所示。如果无法实现足够电压的双电源,则共模抑制性能会下降。

AD629共模电压范围与电源电压的关系
图3  AD629共模电压范围与电源电压的关系

其次,AD629应仅采用内部匹配薄膜电阻在单位增益模式下工作。若使用外部电阻来更改增益,则会因失配误差而导致共模抑制性能下降。

AD8622是一款CMOS低功耗、精密、双通道、轨到轨输出运算放大器,主要用于放大目标信号。

通过级联两个增益为–10的反相增益级,AD629的100 mV满量程输出会放大100倍,从而获得10 V满量程信号。这些值可以是正值,也可以是负值,具体取决于电流方向。

AD8622的双电源允许输入和输出信号在高于地和低于地之间摆动,以便测量双向输入电流。

在转换成数字字之前的信号链最后一级上,AD8622输出电压接受调理,以适合ADC的模拟输入电压范围。

图4所示的“漏斗放大器”AD8475提供两个可选衰减系数(0.4和0.8)。此外,信号会转换成差分形式,输出端的共模电压则由VOCM引脚上的电压决定。采用5 V单电源供电时,模拟输入电压范围为±12.5 V(对于单端输入)。

AD8475漏斗放大器
图4  AD8475漏斗放大器

如图1所示,输出共模电压由电阻分压器设置为2.5 V,而电阻分压器则由ADR435的5 V基准输出驱动。

该系统的主要噪声源是AD629在0.1 Hz至10 Hz带宽范围内的15 μV p-p输出噪声。对于100 mV满量程信号,无噪声代码分辨率为:


AD8622的输出噪声仅为0.2 μV p-p,与AD629相比可忽略不计。AD8475的输出噪声为2.5 μV p-p,当满量程信号电平为4 V p-p时同样可忽略不计。

注意,AD7170的电源电压由四通道隔离器ADuM5402的隔离电源输出(+5.0 VISO)提供。

AD7170的基准电压由 ADR435精密XFET®基准电压源提供。ADR435的初始精度为±0.12%(A级),典型温度系数为2 ppm/°C。ADR435具有7.0 V至18.0 V的宽工作范围,采用+15.0 V供电轨作为电源。

虽然AD7170 VDD和REFIN(+)都可以采用5.0 V电源,但使用独立的基准电压源可提供更高的精度。

AD7170 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,使其不受高共模电压影响,以免发生故障。

代码在PC中利用SDP硬件板和LabVIEW软件进行处理。

图5比较了LabVIEW记录的ADC输出端代码与基于理想系统而计算的理想代码。图中显示该电路如何在整个输入电压范围内(−100 mV至+100 mV)实现不足0.5%的端点线性误差。如果需要,可以使用软件校准消除失调误差和增益误差。

实际代码、理想代码、误差百分比与分流电压的关系图
图5  实际代码、理想代码、误差百分比与分流电压的关系图


点击下载全文(pdf):http://www.52solution.com/data/datainfo/id/6765

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