具有270V共模抑制性能的雙向隔離式高端電流檢測模

電路功能與優勢

圖1所示電路能夠在直流電壓高達±270V的來源上監控雙向電流，且線性誤差小于1%。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100mV。

AD629放大器精確測量和緩沖(G=1)小差分輸入電壓，并抑制最高270V的高共模電壓。

雙通道AD8622用于將AD629的輸出放大100倍。AD8475漏斗放大器則對信號進行衰減(G=0.4)，將其從單端轉換成差分形式并進行電平轉換，使其滿足AD7170Σ-Δ型ADC的模擬輸入電壓范圍要求。

電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+5.0V隔離電源。

AD7170的測量結果利用一個簡單的雙線SPI兼容串行接口，以數字代碼形式提供。

這一器件組合實現了一款精確的高壓正負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100mV的滿量程分流電壓而設計。因此，分流電阻值為RSHUNT=(500mV)/(IMAX).

圖2所示的AD629是一款內置薄膜電阻的差動放大器，支持最高±270V的連續共模信號，并可提供高達±500V的瞬變保護。當REF(+)和REF(−)接地時，該器件會將+IN引腳的信號衰減20倍，然后以20倍噪聲增益放大信號，從而在輸出端恢復原始幅度。

在500Hz時，AD629A的最小共模抑制比(CMRR)為77dB，AD629B。

為了維持理想的共模抑制性能，需要滿足幾項重要條件。首先，器件抑制這些共模信號的能力由電源電壓決定，如圖3所示。如果無法實現足夠電壓的雙電源，則共模抑制性能會下降。

其次，AD629應僅采用內部匹配薄膜電阻在單位增益模式下工作。若使用外部電阻來更改增益，則會因失配誤差而導致共模抑制性能下降。

AD8622是一款CMOS低功耗、精密、雙通道、軌到軌輸出運算放大器，主要用于放大目標信號。

通過級聯兩個增益為–10的反相增益級，AD629的100mV滿量程輸出會放大100倍，從而獲得10V滿量程信號。這些值可以是正值，也可以是負值，具體取決于電流方向。

AD8622的雙電源允許輸入和輸出信號在高于地和低于地之間擺動，以便測量雙向輸入電流。

在轉換成數字字之前的信號鏈最后一級上，AD8622輸出電壓接受調理，以適合ADC的模擬輸入電壓范圍。

圖4所示的“漏斗放大器”AD8475提供兩個可選衰減系數（0.4和0.8）。此外，信號會轉換成差分形式，輸出端的共模電壓則由VOCM引腳上的電壓決定。采用5V單電源供電時，模擬輸入電壓范圍為±12.5V（對于單端輸入）。

如圖1所示，輸出共模電壓由電阻分壓器設置為2.5V，而電阻分壓器則由ADR435的5V基準輸出驅動。

該系統的主要噪聲源是AD629在0.1Hz至10Hz帶寬范圍內的15μVp-p輸出噪聲。對于100mV滿量程信號，無噪聲代碼分辨率為：

AD8622的輸出噪聲僅為0.2μVp-p，與AD629相比可忽略不計。AD8475的輸出噪聲為2.5μVp-p，當滿量程信號電平為4Vp-p時同樣可忽略不計。

注意，AD7170的電源電壓由四通道隔離器ADuM5402的隔離電源輸出(+5.0VISO)提供。

AD7170的基準電壓由ADR435精密XFET®基準電壓源提供。ADR435的初始精度為±0.12%（A級），典型溫度系數為2ppm/°C。ADR435具有7.0V至18.0V的寬工作范圍，采用+15.0V供電軌作為電源。

雖然AD7170VDD和REFIN(+)都可以采用5.0V電源，但使用獨立的基準電壓源可提供更高的精度。

AD7170ADC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，使其不受高共模電壓影響，以免發生故障。

代碼在PC中利用SDP硬件板和LabVIEW軟件進行處理。

圖5比較了LabVIEW記錄的ADC輸出端代碼與基于理想系統而計算的理想代碼。圖中顯示該電路如何在整個輸入電壓范圍內（−100mV至+100mV）實現不足0.5%的端點線性誤差。如果需要，可以使用軟件校準消除失調誤差和增益誤差。

PCB布局考慮

在任何注重精度的電路中，必須仔細考慮電路板上的電源和接地回路布局。PCB應盡可能隔離數字部分和模擬部分。本PCB采用4層板堆疊而成，具有較大面積的接地層和電源層多邊形。有關布局布線和接地的詳細論述，請參考教程MT-031；有關去耦技術的信息，請參考教程MT-101。

AD7170和ADuM5402的電源應當用10μF和0.1μF電容去耦，以適當地抑制噪聲并減小紋波。這些電容應盡可能靠近相應器件，0.1μF電容應具有低ESR值。對于所有高頻去耦，建議使用陶瓷電容。

應仔細考慮ADuM5402原邊和副邊之間的隔離間隙。EVAL-CN0240-SDPZ電路板通過拉回頂層上的多邊形或器件，并將其與ADuM5402上的引腳對齊來使該距離最大。