摘要： 許多工業(yè)應(yīng)用中，都需要高共模電壓情況下檢測小差分電壓，以實(shí)現(xiàn)對電流監(jiān)控。但高共模電壓情況下，輸出電流檢測電路比較復(fù)雜，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精度。
      AD8205是美國模擬器件公司推出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輸入共模電壓，適用于高共模電壓情況下檢測小差分電壓工業(yè)設(shè)備中。它增益固定為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℃)，整個(gè)規(guī)定溫度范圍內(nèi)具有優(yōu)良直流性能，其從直流到100kHz頻帶范圍內(nèi)具有高達(dá)80dB共模抑制比。其測量環(huán)路誤差小，精度高，非常適合用于馬達(dá)控制、傳動控制、磁懸浮控制、車輛動力控制、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前置衰減由電阻RA、RB、RC組成，可將共模電壓衰減到合適輸入電壓范圍內(nèi)。兩組衰減器構(gòu)成橋式網(wǎng)絡(luò)，衰減率為1/16.7。輸入信號衰減以后，使輸入信號幅值保持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端電壓時(shí)，內(nèi)部參考電壓起作用，使放大器輸入負(fù)共模電壓信號時(shí)仍然可以正常工作。當(dāng)電橋平衡時(shí)，共模電壓信號產(chǎn)生差分輸入信號為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，放大器A1將衰減后信號放大26倍，其輸入和輸出都采用差分形式以獲最大交流共模抑制比。另外電阻RA、RB、RC、RD和RF激光校準(zhǔn)后電阻匹配率優(yōu)于0.01%，這種高精度校準(zhǔn)使器件能夠獲超過80dB共模抑制比。
      放大器A2將A1輸出差分信號轉(zhuǎn)換成單端信號，并放大32.15倍。參考輸入端VREF1和VREF2都電阻RREF連接到A2同相輸入端，使輸出可以任意調(diào)整到所需要輸出電壓范圍內(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總增益由衰減電路衰減率1/16.7、A1放大倍數(shù)26和A2放大倍數(shù)32.15構(gòu)成。AD8205具有300μA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單方向變化電流。有兩種基本模式：以為參考和以V+為參考輸出模式。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)，輸出將反向移動到峰值。這時(shí)滿幅輸出所對應(yīng)輸入差分電壓幅值接近100mV，它極性由輸出電壓靜態(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，則輸入差分電壓應(yīng)該為正，輸出由0上升。 

  (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
      以為參考輸出連接方式如圖2(a)所示。它兩個(gè)參考輸入端都接到上，當(dāng)輸入差分電壓為0時(shí)，其輸出被偏置到反相峰值(約0.05V)。
      以V+為參考輸出連接方式如圖2(b)所示。它兩個(gè)參考輸入端都連接到正電源上，當(dāng)輸入差分電壓為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雙向電流，這時(shí)，輸出可以偏置到輸出范圍內(nèi)任意位置。當(dāng)被檢測正反兩個(gè)方向上電流為等幅時(shí)，其輸出必須偏置到滿量程輸出中間位置。當(dāng)雙向電流幅值不對稱時(shí)，輸出偏置可以對應(yīng)偏離半量程位置。它兩個(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)參考輸入端操作方式完全相同。兩個(gè)參考電壓輸入端接入對應(yīng)電壓，即可完成對輸出偏置。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)外部參考電壓源輸出端，如圖3(a)所示連接。當(dāng)輸入電壓相-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-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，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供電電源電壓中間位置。這種接法好處測量雙向電流時(shí)不需要外接參考源，輸出將按比率自動跟隨供電電源電壓變化而產(chǎn)生半幅偏置。也就是說，電源電壓是升降，輸出偏置點(diǎn)將一直保持電源電壓中間位置。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)源極接參考，感性負(fù)載和采樣電阻串聯(lián)連接電源和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)生共模電壓為電源電壓和續(xù)流二極管正向壓降電壓和。采用這種方式優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)PWM開關(guān)關(guān)閉時(shí)，采樣電阻置于電源高側(cè)，采樣電阻仍然電流回路當(dāng)中，使負(fù)載上全部電流，包括續(xù)流電流，仍然可以監(jiān)測，容易識別對短路故障以實(shí)現(xiàn)電路短路保護(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。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)載對之間差分電壓所引起不良影響減到最小。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)并感性負(fù)載，續(xù)流二極管作用，使采樣電阻上共模電壓保持為一個(gè)低于二極管導(dǎo)通壓降。 
  
  
 

   馬達(dá)控制
      如圖5所示連接，AD8205H橋馬達(dá)控制電路中作為控制回路一部分，馬達(dá)和采樣電阻串連后放置H橋中間，檢測采樣電阻上電壓，可以準(zhǔn)確測量馬達(dá)當(dāng)前電流及其方向。此時(shí)，AD8205輸出被設(shè)定成外部參考雙向方式，這樣它可以測量H橋開關(guān)雙向電流并同時(shí)監(jiān)測馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)方向。一個(gè)特別穩(wěn)定參考電平，以為參考將會導(dǎo)致測量不準(zhǔn)確性。，這種測試方案要比以作為參考電平測試方法好多。
      結(jié)語
      總之，采用AD8205實(shí)現(xiàn)高共模電壓情況下檢測小差分電壓電路結(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)動力監(jiān)控、液壓控制、磁懸浮控制等控制系統(tǒng)中。