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ADI實驗室電路:500V共模電壓電流監(jiān)控器

作者: 時間:2013-09-23 來源:網絡 收藏

電路功能與優(yōu)勢

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/228235.htm

圖1所示電路監(jiān)控系統(tǒng)中的電流,可在高達+500 V的正高共模直流電壓下工作,且誤差小于0.2%。負載電流通過一個電路外部的分流電阻。分流電阻值應適當選擇,使得在最大負載電流時分流電壓約為500 mV。

ADI實驗室電路:500V共模電壓電流監(jiān)控器

圖1:高共模電壓(未顯示所有連接和去耦)

與外部PNP晶體管配合使用時, AD8212 能在具有大于500 V的正高共模電壓情況下,精確放大小差分輸入電壓。

電流隔離由四通道隔離器ADuM5402 提供。這不僅是為了提供保護,而且還可將下游電路與高共模電壓隔離開來。除了隔離輸出數據以外,數字隔離器ADuM5402還為電路提供+3.3 V隔離電源。

AD7171 的測量結果通過一個簡單的雙線SPI兼容型串行接口,以數字碼形式提供。

這一器件組合實現了一款精確的正高壓供電軌電流檢測解決方案,具有器件數量少、低成本、低功耗的特點。

電路描述

該電路針對最大負載電流IMAX下500 mV的滿量程分流電壓而設計。因此,分流電阻值為RSHUNT = (500 mV)/(IMAX)。

AD8212工藝具有65 V的擊穿電壓限制。因此,共模電壓必須保持在65 V以下。通過采用外部PNP BJT晶體管,共模電壓范圍可以擴展到500 V以上,具體取決于晶體管的擊穿電壓。

ADI實驗室電路:500V共模電壓電流監(jiān)控器

圖2:AD8212采用外部PNP晶體管的高壓工作模式

AD8212沒有專用電源。相反,該器件實際上利用一個內部5 V串聯調節(jié)器使自身“浮動”脫離500 V共模電壓,從而創(chuàng)建出一個5 V電源,如圖2所示。此調節(jié)器確保所有端子中的最大負端COM(引腳2)始終要比電源電壓(V+)低5 V。

在此工作模式下,AD8212電路的電源電流(IBIAS) )完全基于電源電壓范圍和所選的RBIAS電阻值。例如,對于V+ = 500 V和RBIAS = 500 kΩ,

IBIAS = (500 V ?5 V)/RBIAS = 990 μA。

在此高電壓模式下, IBIAS應當介于200 μA和1 mA之間。這樣可以確保偏置電路處于激活狀態(tài),從而讓器件可以正常工作。

注意,500 kΩ偏置電阻(5 × R2)由五個單獨的100 kΩ電阻構成。這是為了提供保護,以防電阻電壓擊穿。通過消除電阻串正下方的接地層,可以增加額外的擊穿保護。

流經外部分流電阻的負載電流在AD8212的輸入端產生電壓。內部放大器A1通過促使晶體管Q1籍由電阻R1傳導必要電流做出響應,以均衡放大器A1反相和同相輸入端處的電位。

流過晶體管Q1發(fā)射極的電流(IOUT) 與輸入電壓(VSENSE) 成比例,因此也就與流過分流電阻(ILOAD) 的負載電流(RSHUNT)成比例。輸出電流 (IOUT)通過外部電阻轉換成電壓,而外部電阻值取決于應用中所需的輸入至輸出增益。

AD8212的傳遞函數為:

IOUT = gm × VSENSE

VSENSE = ILOAD × RSHUNT

VOUT = IOUT × ROUT

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

輸入檢測電壓具有固定范圍,即0 V至500 mV。輸出電壓范圍可以根據ROUT值進行調整。當VSENSE發(fā)生1 mV變化時,即可在IOUT上產生1 mA變化,而當后者流過5 kΩ電阻時,又會在VOUT處產生1 mV變化。

在圖1所示電路中,負載電阻為24.9 kΩ,因此增益為5。500 mV的滿量程輸入電壓會產生2.5 V輸出,這對應于AD7171 ADC的滿量程輸入范圍。

AD8212輸出設計用于驅動高阻抗節(jié)點。因此,如果與轉換器接口,則建議對ROUT兩端的輸出電壓進行緩沖,以保證AD8212的增益不受影響。

注意, ADR381 和AD7171的電源電壓由四通道隔離器ADuM5402的隔離電源輸出(+3.3 VISO)提供。

AD7171的基準電壓由精密帶隙基準電壓源ADR381提供。ADR381的初始精度為±0.24%,典型溫度系數為5 ppm/°C。

雖然AD7171 VDD和REFIN(+)都可以采用3.3 V電源,但使用獨立的基準電壓源可提供更高的精度??蛇x擇2.5 V基準電壓源來提供充足的裕量。

AD7171 ADC的輸入電壓在ADC的輸出端轉換為偏移二進制碼。ADuM5402為DOUT數據輸出、SCLK輸入和 PDRST 輸入提供隔離。雖然隔離器是可選器件,但建議使用該器件來保護下游數字電路,使其不受故障狀況下的高共模電壓影響。

代碼在PC中利用SDP硬件板和LabVIEW軟件進行處理。

圖3中的曲線圖顯示,受測試的電路如何在整個輸入電壓范圍(0 mV至500 mV)實現了不足0.2%的誤差。另外還比較了LabVIEW記錄的ADC輸出代碼與基于理想系統(tǒng)而計算的理想代碼。

ADI實驗室電路:500V共模電壓電流監(jiān)控器

圖3:輸出和誤差與分流電壓的關系圖PCB布局考慮


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