摘要： 在許多工業(yè)應(yīng)用中，都需要在高共模電壓情況下檢測小差分電壓，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的監(jiān)控。但在高共模電壓情況下，輸出電流的檢測電路比較復(fù)雜，而且精度難以保證。采用新型高側(cè)電流傳感器AD8205可以簡化其檢測電路，并能大大提高其檢測和控制的精度。
AD8205是美國模擬器件公司推出的一種單電源高性能差分放大器，典型單電源供電電壓為5V，其共模電壓輸入范圍為-2~65V，可以耐受-5~+70V的輸入共模電壓，適用于高共模電壓情況下檢測小差分電壓的工業(yè)設(shè)備中。它的增益固定為50V/V，工作溫度范圍為-40~+125℃，失調(diào)電壓溫漂小于15µV/℃，增益溫漂小于30ppm/℃(環(huán)境溫度可高達(dá)125℃)，在整個(gè)規(guī)定溫度范圍內(nèi)具有優(yōu)良的直流性能，其從直流到100kHz的頻帶范圍內(nèi)具有高達(dá)80dB的共模抑制比。因此其測量環(huán)路誤差小，精度高，非常適合用于馬達(dá)控制、傳動(dòng)控制、磁懸浮控制、車輛動(dòng)力控制、燃料噴射控制、引擎管理和DC-DC變換等控制系統(tǒng)中。
圖1 高側(cè)電流傳感器AD8205內(nèi)部電路原理圖
內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)及其工作原理
AD8205的內(nèi)部電路由A1和A2兩個(gè)集成運(yùn)放和一個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)，以及一個(gè)小參考電壓源和偏置電路構(gòu)成，其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。
A1的前置衰減由電阻RA、RB、RC組成，可將共模電壓衰減到合適的輸入電壓范圍內(nèi)。兩組衰減器構(gòu)成橋式網(wǎng)絡(luò)，衰減率為1/16.7。輸入信號(hào)經(jīng)過衰減以后，使得輸入信號(hào)的幅值保持在供電電源電壓范圍以內(nèi)，當(dāng)輸入電壓超過供電電源電壓或低于公共地端的電壓時(shí)，內(nèi)部參考電壓起作用，使得放大器在輸入負(fù)共模電壓信號(hào)時(shí)仍然可以正常工作。當(dāng)電橋平衡時(shí)，共模電壓信號(hào)產(chǎn)生的差分輸入信號(hào)為0V。當(dāng)然，輸入網(wǎng)絡(luò)同時(shí)也衰減了輸入差分電壓信號(hào)，放大器A1將衰減后的信號(hào)放大26倍，其輸入和輸出都采用差分形式以獲得最大的交流共模抑制比。另外電阻RA、RB、RC、RD和RF通過激光校準(zhǔn)后的電阻匹配率優(yōu)于0.01%，這種高精度校準(zhǔn)使得器件能夠獲得超過80dB的共模抑制比。
放大器A2將A1輸出的差分信號(hào)轉(zhuǎn)換成單端信號(hào)，并放大32.15倍。參考輸入端VREF1和VREF2都經(jīng)過電阻RREF連接到A2的同相輸入端，使得輸出可以任意調(diào)整到所需要的輸出電壓范圍內(nèi)。當(dāng)兩個(gè)參考輸入端并聯(lián)使用時(shí)，參考電壓從輸入到輸出的增益為1V/V；當(dāng)單獨(dú)使用任何一個(gè)參考輸入端時(shí)，其增益為0.5V/V。AD8205的總增益由衰減電路的衰減率1/16.7、A1的放大倍數(shù)26和A2的放大倍數(shù)32.15構(gòu)成。AD8205具有300μA的吸收下拉電流能力，采用A類PNP管接上拉電阻輸出。
輸出方式設(shè)置
單極性輸出
此方式一般用來測量流過采樣電阻上的單方向變化的電流。有兩種基本模式：以地為參考和以V+為參考的輸出模式。在單極性工作模式下，當(dāng)差分輸入為0時(shí)，輸出可以偏置到負(fù)向(接近地)或正向峰值(V+)。當(dāng)差分電壓加到輸入端時(shí)，輸出將反向移動(dòng)到峰值。這時(shí)滿幅輸出所對(duì)應(yīng)的輸入差分電壓幅值接近100mV，它的極性由輸出電壓的靜態(tài)設(shè)置所決定。當(dāng)偏置到正向峰值時(shí)，輸入差分電壓應(yīng)該為負(fù)，輸出由正向峰值下降；反之，若靜態(tài)偏置到地，則輸入差分電壓應(yīng)該為正，輸出由0上升。
圖2 單極性輸出連接方式
(a)外部參考電壓輸出 (b)分離參考電壓輸出
圖3 雙極性輸出連接方式
(a)高側(cè)電流傳感器和低側(cè)開關(guān)方式 (b)高側(cè)電流傳感器和高側(cè)開關(guān)方式
圖4 電路配置方式
以地為參考的輸出連接方式如圖2(a)所示。它的兩個(gè)參考輸入端都接到地上，當(dāng)輸入的差分電壓為0時(shí)，其輸出被偏置到反相峰值(約0.05V)。
以V+為參考的輸出連接方式如圖2(b)所示。它的兩個(gè)參考輸入端都連接到正電源上，當(dāng)輸入的差分電壓為0時(shí)，其輸出被偏置到正相峰值(約4.8V)。
雙極性輸出
雙極性輸出時(shí)AD8205可以測量流過采樣電阻上的雙向電流，這時(shí)，輸出可以偏置到輸出范圍內(nèi)的任意位置。當(dāng)被檢測的正反兩個(gè)方向上的電流為等幅時(shí)，其輸出必須偏置到滿量程輸出的中間位置。當(dāng)雙向電流幅值不對(duì)稱時(shí)，輸出偏置可以對(duì)應(yīng)地偏離半量程位置。它的兩個(gè)參考輸入VREF1和VREF2分別連接一個(gè)內(nèi)部電阻RREF后接到同一個(gè)內(nèi)部偏置節(jié)點(diǎn)，這兩個(gè)參考輸入端的操作方式完全相同。在兩個(gè)參考電壓輸入端接入對(duì)應(yīng)的電壓，即可完成對(duì)輸出的偏置。在雙極性輸出方式下，一般有以下兩種連接方式。
1)當(dāng)輸入雙向電流幅值相同時(shí)，將兩個(gè)參考電壓輸入端都連接到一個(gè)外部參考電壓源的輸出端，如圖3(a)所示連接。當(dāng)輸入電壓相對(duì)于-IN為負(fù)，輸出電壓將從參考電壓下降。反之，當(dāng)輸入電壓相對(duì)于-IN為正，輸出電壓將從參考電壓上升。
2)將兩個(gè)參考電壓輸入端的其中一個(gè)接到電源電壓V+端，另一個(gè)參考電壓輸入端接地，如圖3(b)所示連接。當(dāng)輸入差分電壓為0時(shí)，輸出電壓被偏置到AD8205的供電電源電壓的中間位置。這種接法的好處在于測量雙向電流時(shí)不需要外接參考源，輸出將按比率地自動(dòng)跟隨供電電源電壓的變化而產(chǎn)生半幅偏置。也就是說，不管電源電壓是升還是降，輸出偏置點(diǎn)將一直保持在電源電壓的中間位置。例如，電源電壓為5V時(shí)，輸出偏置到2.5V；而當(dāng)電源電壓上升10%時(shí)，輸出將偏置到2.75V。
典型應(yīng)用
高側(cè)電流傳感器和低側(cè)開關(guān)方式
如圖4(a)所示連接，PWM控制開關(guān)的源極接參考地，感性負(fù)載和采樣電阻串聯(lián)連接在電源和PWM控制開關(guān)之間。當(dāng)PWM開關(guān)閉合時(shí)，采樣電阻上的共模電壓下降到接近負(fù)向峰值；當(dāng)PWM開關(guān)打開時(shí)，采樣電阻上產(chǎn)生的共模電壓為電源電壓和續(xù)流二極管的正向壓降的電壓和。采用這種方式的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)PWM開關(guān)關(guān)閉時(shí)，由于采樣電阻置于電源高側(cè)，采樣電阻仍然在電流回路當(dāng)中，使得負(fù)載上的全部電流，包括續(xù)流電流，仍然可以監(jiān)測，并且容易識(shí)別對(duì)地短路故障以實(shí)現(xiàn)電路的短路保護(hù)。
高側(cè)電流傳感器和高側(cè)開關(guān)方式
如圖4(b)所示連接，PWM開關(guān)和采樣電阻都位于電壓高側(cè)。當(dāng)PWM開關(guān)打開時(shí)，負(fù)載電源將被移除，但仍然可以提供和監(jiān)測續(xù)流電流，以實(shí)現(xiàn)電流控制診斷。在工作過程中，大部分時(shí)間電源都和負(fù)載隔離，這樣可將負(fù)載對(duì)地之間的差分電壓所引起的不良影響減到最小。當(dāng)PWM開關(guān)閉合時(shí)，電源電壓將連接到負(fù)載，這時(shí)共模電壓將增加到電源電壓。而PWM開關(guān)打開時(shí)，電壓將反轉(zhuǎn)并經(jīng)過感性負(fù)載，由于續(xù)流二極管的作用，使得采樣電阻上的共模電壓保持為一個(gè)低于地的二極管的導(dǎo)通壓降。
馬達(dá)控制
如圖5所示連接，AD8205在H橋馬達(dá)控制電路中作為控制回路的一部分，馬達(dá)和采樣電阻串連后放置在H橋的中間，通過檢測采樣電阻上的電壓，可以準(zhǔn)確地測量馬達(dá)當(dāng)前的電流及其方向。此時(shí)，AD8205的輸出被設(shè)定成外部參考雙向的方式，這樣它可以測量H橋開關(guān)的雙向電流并同時(shí)監(jiān)測馬達(dá)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向。由于地不是一個(gè)特別穩(wěn)定的參考電平，以地為參考將會(huì)導(dǎo)致測量的不準(zhǔn)確性。因此，這種測試方案要比以地作為參考電平的測試方法好的多。
結(jié)語
總之，采用AD8205實(shí)現(xiàn)在高共模電壓情況下檢測小差分電壓的電路結(jié)構(gòu)簡單可靠，監(jiān)測精度高。它特別適用于42V汽車系統(tǒng)的動(dòng)力監(jiān)控、液壓控制、磁懸浮控制等控制系統(tǒng)中。
