用于负高压轨的隔离式低端电流监控器

 

　　用于负高压轨的隔离式低端电流监控器

　　电路功能与优势

　　

 

　　图1所示的完全隔离电路可监控−48 V独立通道的电流，精度优于1%。负载电流流经位于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50 mV。

　　AD7171 的测量结果以数字码形式通过一个简单的2线SPI兼容型隔离串行接口提供。隔离由四通道隔离器 ADuM5402 提供。除了隔离输出数据以外，数字隔离器ADuM5402还为电路提供隔离+3.3 V电源。

　　这一器件组合实现了一款精确的高压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。测量精度主要取决于电阻容差和带隙基准电压源的精度，典型值优于1%。

　　图1. 用于负高压轨的低端电流监控器(未显示去耦和所有连接)

　　电路描述

　　该电路针对最大负载电流IMAX下50 mV的满量程分流电压而设计。因此，分流电阻值为 RSHUNT = (50 mV)/(IMAX)。

　　运算放大器级的“地”连接到共模源电压(−48 V)。运算放大器级的电压由“悬空”的5.6 V齐纳二极管提供，该二极管偏置到约2 mA的电流，这样便无需独立电源。在无修改的情况下，该电路的源电压范围为−60 V至−10 V。

　　U1A将分流电压放大49.7倍，其中G = 1 + R3/R2。零漂移放大器 ADA4051-2 的失调电压很低(最大值15 μV)，对测量的误差贡献不大。50 mV的满量程分流电压从U1A产生2.485 V的满量程输出电压(参考共模源电压)。

　　U1B的反馈环路中有一个具有大VDS击穿电压(70 V)的N沟道MOSFET晶体管，它将U1A的输出电压施加于电阻R5两端，所产生的电流流经R6和R7。来自U1A的2.485 V满量程电压产生0.498 mA的满量程电流，它在电阻R7两端产生2.485 V的满量程电压。R7两端的电压施加于ADC的AIN−。当MOSFET短路时，电阻R6和肖特基二极管D2为AD7171提供输入保护。

　　注意，ADR381、AD7171和悬空齐纳二极管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隔离电源，但使用独立的基准电压源可提供更高的精度。隔离电压下限为3 V，因此必须使用2.5 V基准电压，以便提供充足的裕量。

　　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。

　　经过隔离电路之后，代码在PC中利用SDP硬件板和LabVIEW软件进行处理。

　　图2中的曲线图显示，受测试的电路在整个输入电压范围(0 mV至50 mV)实现了0.3%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2. 输出和误差与分流电压的关系图

　　为了计算这个理想代码，必须就系统性能做出几项假设。首先，运算放大器级必须准确地将输入信号放大49.7倍。根据电阻容差(1%)不同，最差情况下此值的变化幅度为2%。其次，假设吸电流电阻(R5)与ADC输入电阻(R7)完全相同。本电路中，这些电阻的容差为1%。由于它们具有相同值，因此匹配精度可能优于1%。也可以使用容差更低的电阻，这将提高电路的精度和成本。

　　PCB上还安装了其它几项元件，它们对于电路的功能或性能并不重要，但为了确保用户和硬件的安全必须使用。例如，如果Q1击穿或短路，ADC、SDP板和用户PC都可能受到较大负电压的破坏。安全元件包括无源元件R6和D2，用于保护AD7171，以及四通道数字隔离器ADuM5402，用于保护SDP板上的电路和用户PC。

　　PCB布局布线考虑

　　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采用四层板堆叠而成，具有较大面积的接地层和电源层多边形。有关布局布线和接地的详细论述，请参考教程 MT-031 ;有关去耦技术的信息，请参考教程 MT-101 Tutorial 。

　　AD7171和ADuM5402的电源应当用10 μF和0.1 μF电容去耦，以适当地抑制噪声并减小纹波。这些电容应尽可能靠近相应器件，0.1 μF电容应具有低ESR值。对于所有高频去耦，建议使用陶瓷电容。

　　应仔细考虑ADuM5402原边和副边之间的隔离间隙。EVAL-CN0188-SDPZ电路板通过拉回顶层上的多边形或器件，并将其与ADuM5402上的引脚对齐来使该距离最大。

　　电源走线应尽可能宽，以提供低阻抗路径，并减小电源线路上的毛刺效应。时钟和其它快速开关的数字信号应通过数字地将其与电路板上的其它器件屏蔽开。