AN-1531: 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高边电流

电路功能与优势

−48 V电源轨广泛应用于无线基站和电信设备。在网络中央机房使用这种电源轨时，其电压介于−48 V和−60 V之间。为了测量这些电压下的电流，一般需要采用双电源（如±15 V）供电的器件。通常，只有直接与−48 V电源轨接口的前端调理放大器才使用双电源。系统的其余部分采用单电源供电。消除负电源可降低复杂性和成本。在图1所示电路中，通过 AD629和AD8603，用户可在仅依赖正电源供电的同时，测量−48 V至−60 V电压下的电流。

与低边电流检测相比，高边电流检测可抑制接地噪声，并能在运行期间检测短路情况。

电路描述

该电路使用AD629差动放大器对超出电源电压范围的电 压进行调理。允许的最小和最大输入共模电压由以下公式 确定：

 V_{COM_MAX} = 20 × (+V_S − 1.2) − 19 × V_REF

 V_{COM_MAX} = 20 × (−V_S + 1.2) − 19 × V_REF

其中：

V_{COM_MAX}为共模电压最大值。

+V_S 为正电源电压。

V_REF为基准电压。

V_{COM_MIN}为共模电压最小值。

−V_S为负输入电压。

当V V_REF = 5 V、 +V_S = 12 V 且 −V_S = 0 V时，AD629共模输入范围为−71 V至+121 V。此范围足够宽，可覆盖−48 V电源轨的整个预期范围。AD629差动放大器会检测差分电压（检测电流(I_S) × 检测电阻(R_SENSE)），它由流过分流电阻的电流产生。AD629具备1倍的固定增益，因此其输出电压等于 I_S × R_SENSE + V_REF。

分流电阻为100 mΩ，其容差为0.1%，最大额定功率为1 W。选择分流电阻时，必须同时考虑电流测量精度和自热效应。

AD8603配置为减法器，以便能够抑制5 V共模电压并放大目标信号，即I_S × R_S。该信号被放大20倍，以覆盖AD7453模数转换器(ADC)的2.5 V满量程输入范围。ADC的满量程2.5 V信号对应于-48 V电源上的1.25 A电流。该电路之所以选择AD8603，是因为其具有低输入偏置电流、低输入失调漂移以及轨到轨输入和输出特性。轨到轨输出允许AD8603与ADC共用同一电源。请注意，由于其输出级，AD8603的输出只能降至地电位以上约50 mV。此输出对应于约25 mA的检测电流 I_S。因此，无法测量小于25 mA的电流。然而，对于非常低的电流，通常没有精度要求。

组成减法器的四个电阻的比值必须匹配，才能获得最大共模抑制(CMR)能力。在此阶段，减法器必须抑制来自AD629的5 V共模信号。

使用12位ADC AD7453的原因是其伪差分输入可简化AD8603和ADC之间的接口。此外，凭借小尺寸封装和低成本，它适用于对成本敏感或尺寸受限的场景。

AD780因其高精度和易用性，被用作12位ADC AD7453的基准电压源。

该电路的测试方法如下：在−48 V和−60 V的电源轨下，测量数字化输出电压随电流的变化关系。图2表明，测试结果与预期值密切相关，并且在不同的共模电压下，电路具有良好的线性度。

AD629的CMR引起的误差是最大误差。总失调误差由AD8603差动放大器的信号增益放大20倍；因此，以AD8603输出为基准，总失调误差可能高达156 mV。

此计算表明，输入差动放大器的CMR对于实现低失调很重要。如果电流检测电路在户外使用，则温度指标（整个温度范围内的初始增益漂移、失调电压漂移和CMR）非常重要，而AD629非常适合此类应用。

AD8603的输入失调电压（最大0.3 mV）和输入偏置电流(1 pA)会引起误差。在21倍的噪声增益下，这些放大器误差产生最大约6.3 mV的输出失调误差。总最大输出失调误差是AD629 (156 mV)和AD8603 (6.3 mV)引起的误差之和，折合到AD8603输出端为162.3 mV。应通过系统校准消除此误差。

如果使用典型规格而不是最大值，则AD8603输出的失调电压约为45 mV。

AD629A的失调误差如表1所示，可利用最大值规格计算如下。

该电路必须构建在具有大面积接地层的多层印刷电路板上。为实现理想性能，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”和教程MT-101“去耦技术”）。

常见变化

ADR361尺寸更小、功耗低、精度高，是基准电压源的另一个选择。

集成式仪表放大器（如AD8223或AD8226）可代替AD8603。这种放大器无需AD8603电路所需的外部电阻匹配。如果可接受1倍的增益，也可使用集成电阻的差动放大器（如 AD8276 ）代替AD8603。

AD629B的CMR比AD629A高9 dB。其失调电压和增益误差均只有AD629A的大约一半。这些指标对于无法进行系统校准的情况至关重要。

如果转换器需要集成度更高的解决方案，则 ADuC7019、 ADuC7020、 ADuC7021、 ADuC7022、 ADuC7024、 ADuC7025、 ADuC7026、 ADuC7027 和 ADuC7028系列集成12位、1 MSPS ADC的ARM7TDMI®精密模拟微控制器是理想选择。

参考文献

Charles Kitchin 和 Lew Counts，2006 年。《仪表放大器应用工程师指南》第三版，ADI公司。

教程MT-031，实现数据转换器的接地并解开AGND和DGND的谜团，ADI公司。

教程MT-035， 运算放大器输入、输出、单电源和轨到轨问题，ADI公司。

教程MT-061， 仪表放大器基础， ADI公司。

教程MT-068，差动和电流检测放大器， ADI公司。

教程MT-101， 去耦技术， ADI公司。