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ADI:500V共模电压电流监控器

时间:10-26 来源:ADI 点击:

 电路功能与优势

图1所示电路监控系统中的电流,可在高达+500 V的正高共模直流电压下工作,且误差小于0.2%。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500 mV。
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图1:高共模电压电流监控器(未显示所有连接和去耦)

  与外部PNP晶体管配合使用时, AD8212 能在具有大于500 V的正高共模电压情况下,精确放大小差分输入电压。

电流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+3.3 V隔离电源。

AD7171 的测量结果通过一个简单的双线SPI兼容型串行接口,以数字码形式提供。

这一器件组合实现了一款精确的正高压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。

电路描述

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

AD8212工艺具有65 V的击穿电压限制。因此,共模电压必须保持在65 V以下。通过采用外部PNP BJT晶体管,共模电压范围可以扩展到500 V以上,具体取决于晶体管的击穿电压。

AD8212没有专用电源。相反,该器件实际上利用一个内部5 V串联调节器使自身"浮动"脱离500 V共模电压,从而创建出一个5 V电源,如图2所示。此调节器确保所有端子中的最大负端COM(引脚2)始终要比电源电压(V+)低5 V。

在此工作模式下,AD8212电路的电源电流(IBIAS) )完全基于电源电压范围和所选的RBIAS电阻值。例如,对于V+ = 500 V和RBIAS = 500 kΩ,

IBIAS = (500 V −5 V)/RBIAS = 990 μA。

在此高电压模式下, IBIAS应当介于200 μA和1 mA之间。这样可以确保偏置电路处于激活状态,从而让器件可以正常工作。

注意,500 kΩ偏置电阻(5 × R2)由五个单独的100 kΩ电阻构成。这是为了提供保护,以防电阻电压击穿。通过消除电阻串正下方的接地层,可以增加额外的击穿保护。

流经外部分流电阻的负载电流在AD8212的输入端产生电压。内部放大器A1通过促使晶体管Q1籍由电阻R1传导必要电流做出响应,以均衡放大器A1反相和同相输入端处的电位。

流过晶体管Q1发射极的电流(IOUT) 与输入电压(VSENSE) 成比例,因此也就与流过分流电阻(ILOAD) 的负载电流(RSHUNT)成比例。输出电流 (IOUT)通过外部电阻转换成电压,而外部电阻值取决于应用中所需的输入至输出增益。

AD8212的传递函数为:
IOUT = gm × VSENSE
VSENSE = ILOAD × RSHUNT
VOUT = IOUT × ROUT
VOUT = (VSENSE × ROUT)/1000 gm = 1000 μA/V

输入检测电压具有固定范围,即0 V至500 mV。输出电压范围可以根据ROUT值进行调整。当VSENSE发生1 mV变化时,即可在IOUT上产生1 mA变化,而当后者流过5 kΩ电阻时,又会在VOUT处产生1 mV变化。

在图1所示电路中,负载电阻为24.9 kΩ,因此增益为5。500 mV的满量程输入电压会产生2.5 V输出,这对应于AD7171 ADC的满量程输入范围。

AD8212输出设计用于驱动高阻抗节点。因此,如果与转换器接口,则建议对ROUT两端的输出电压进行缓冲,以保证AD8212的增益不受影响。

注意, ADR381 和AD7171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电源,但使用独立的基准电压源可提供更高的精度。可选择2.5 V基准电压源来提供充足的裕量。

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。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,使其不受故障状况下的高共模电压影响。

代码在PC中利用SDP硬件板和LabVIEW软件进行处理。

图3中的曲线图显示,受测试的电路如何在整个输入电压范围(0 mV至500 mV)实现了不足0.2%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3:输出和误差与分流电压的关系图

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