CN0100: 利用差动放大器AD629、运算放大器AD8603、基准电压源AD780和12位ADC AD7453等单电源器件测量−48 V高端电流

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概览

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优势和特点
  • 0至-48 V共模电压
  • 高端检测抑制接地噪声
  • 针对无线基站和电信设备进行设计
  • 单系统电源电压
  • 单向电流监控系统
此电路中所用产品
    应用: 
  • 逆变器
  • 电源
  • 表计与电能计量

电路功能与优势

−48 V供电轨广泛用于无线基站和电信设备中。用于网络中央交换局时,它可以在−48 V至−60 V之间变化。测量该电压下的电流时,通常需要采用双电源(例如±15 V)供电的器件。一般而言,只有直接与−48 V供电轨接口的前端调理放大器使用双电源,系统其余部分则采用单电源供电。不过,去掉负电源可以简化电路、降低成本。本电路使用AD629AD8603 ,仅采用正电源供电,但也能测量−48 V至−60 V时的电流。

与低端电流检测相比,高端电流检测可以抑制接地噪声,并能在工作期间检测短路状况。

图1:测量−48 V电流的电路(原理示意图)

电路描述

本电路使用差动放大器AD629调理超出其电源的电压。最小和最大容许输入共模电压由下列公式确定:

VCOM_MAX = 20 × (+VS – 1.2) – 19 × VREF
VCOM_MIN = 20 × (−VS + 1.2) – 19 × VREF

当 VREF = +5 V, +VS = 12 V且−VS = 0 V时,AD629共模输入范围为−71 V至+121 V,足以涵盖−48 V供电轨的整个预期范围。差动放大器AD629检测差分电压 IS × RS,它由流经分流电阻的电流产生。AD629具有固定增益1,因此其输出电压等于 IS × RS +VREF

分流电阻为100 mΩ,容差为0.1%,最大额定功率为1 W。选择分流电阻时,电流测量精度和自发热效应均应考虑。

AD8603配置为减法器,因而能抑制5 V共模电压,并放大目标信号IS × RS。该信号放大20倍,以配合 AD7453 ADC的2.5 V满量程输入范围。ADC的满量程2.5 V输入信号对应于−48 V电源的1.25 A电流。选择AD8603的原因是其具有低输入偏置电流、低失调漂移以及轨到轨输入和输出特性。轨到轨输出使得AD8603能够与ADC共用同一电源。应当注意,由于存在输出级,AD8603的输出只能降至地以上约50 mV,对应的输入电流IS 约为25 mA。因此,本电路无法测量约低于25 mA的电流。不过,通常并不要求以高精度测量非常低的电流。

构成减法器的四个电阻的比率必须匹配,才能获得最大共模抑制(CMR)性能。在这一级中,减法器必须抑制AD629的5 V共模信号。

使用12位ADC AD7453的原因在于其具有伪差分输入,能够简化AD8603与ADC的接口。此外,该ADC采用小尺寸封装,成本低,因此适合对成本敏感或尺寸受限的应用。

AD780 精度高且易于使用,所以12位ADC AD7453选其作为基准电压源。

我们已针对−48 V和−60 V供电轨对本电路进行了测试,测得的数字化输出电压与电流的函数关系如图2所示。从图中可以看出,实际值与预期值高度相关,并且本电路在不同共模电压下均具有良好的线性。

图2:−48 V和−60 V共模电压下数字化输出电压与电流的关系

AD629的CMR引起的误差最大。总失调误差会被放大20倍,即差动放大器AD8603的信号增益,因此可能高达156 mV(折合到AD8603输出端)。

另外,由计算可知,输入差动放大器的CMR对于实现低失调非常重要。如果该电流检测电路用在室外,则温度特性(初始增益漂移、失调电压漂移和整个温度范围内的CMR)十分重要,AD629将是此类应用的理想之选。

AD8603的失调电压(最大值为0.3 mV)和偏置电流(1 pA)会引起一定的误差。当噪声增益为21时,它产生的最大输出失调误差约为6.3 mV。最大总输出失调误差为AD629 (156 mV)和AD8603 (6.3 mV)各自引起的误差之和,即162.3 mV(折合到AD8603输出端)。幸运的是,这一误差可通过系统校准予以消除。

同时,如果我们采用典型特性值而不是最大值,则AD8603输出端的失调电压约为45 mV。

AD629的失调误差可以利用最大特性值计算,如下所示:

初始增益误差 0.05 mV
失调电压 1 mV
直流CMR (77 dB) 6.768 mV
总失调 7.818 mV

表1:AD629A直流误差

本电路必须构建在具有较大面积接地层的多层电路板上。为实现最佳性能,必须采用适当的布局、接地和去耦技术(请参考 教程MT-031——“实现数据转换器的接地并解开AGND和DGND的谜团”,以及 教程MT-101——“去耦技术”)。

常见变化

基准电压源的另一个选择是ADR361,它具有小尺寸、低功耗和高精度特性。

AD8223AD8226等集成式仪表放大器可以取代AD8603,从而省去AD8603电路的外部电阻匹配要求。如果增益可以为1,则也可使用带有集成电阻的AD8276 等差动放大器代替AD8603。

AD629B的CMR比AD629A高9 dB,失调电压则为后者的一半,增益误差也几乎为后者的一半,这在无法进行系统校准的情况下至关重要。

如果转换器需要集成度更高的解决方案,则集成12位、1 MSPS ADC的ADuC70xx系列ARM7TDMI®精密模拟微控制器是不错的选择。

此电路中所用产品:

产品 描述 可提供样片的产品型号
AD629 高共模电压差动放大器

欲获取样片,请 联系ADI公司

AD7453 伪差分输入、555 kSPS、12位ADC,采用8引脚SOT-23封装 AD7453BRTZ-REEL7
AD780 2.5 V/3.0 V超高精度带隙基准电压源

欲获取样片,请 联系ADI公司

AD8603 微功耗RRIO、低噪声、精密单通道CMOS运算放大器 AD8603AUJZ-REEL7
沪ICP备09046653号
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