具有270V共模抑制性能的双向隔离式高端电流检测模块

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。

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。

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。

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）。

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。

图5. 实际代码、理想代码、误差百分比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