利用單電源器件測(cè)量?48V高端電流電路圖

　　電路功能與優(yōu)勢(shì)

　　?48 V供電軌廣泛用于無(wú)線基站和電信設(shè)備中。用于網(wǎng)絡(luò)中央交換局時(shí)，它可以在?48 V至?60 V之間變化。測(cè)量該電壓下的電流時(shí)，通常需要采用雙電源（例如±15 V）供電的器件。一般而言，只有直接與?48 V供電軌接口的前端調(diào)理放大器使用雙電源，系統(tǒng)其余部分則采用單電源供電。不過(guò)，去掉負(fù)電源可以簡(jiǎn)化電路、降低成本。本電路使用AD629 和AD8603 ，僅采用正電源供電，但也能測(cè)量?48 V至?60 V時(shí)的電流。

　　與低端電流檢測(cè)相比，高端電流檢測(cè)可以抑制接地噪聲，并能在工作期間檢測(cè)短路狀況。

　　圖1：測(cè)量?48 V電流的電路（原理示意圖）

　　電路描述

　　本電路使用差動(dòng)放大器AD629調(diào)理超出其電源的電壓。最小和最大容許輸入共模電壓由下列公式確定：

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

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

　　當(dāng) VREF = +5 V， +VS = 12 V且?VS = 0 V時(shí)，AD629共模輸入范圍為?71 V至+121 V，足以涵蓋?48 V供電軌的整個(gè)預(yù)期范圍。差動(dòng)放大器AD629檢測(cè)差分電壓 IS × RS，它由流經(jīng)分流電阻的電流產(chǎn)生。AD629具有固定增益1，因此其輸出電壓等于 IS × RS +VREF。

　　分流電阻為100 mΩ，容差為0.1%，最大額定功率為1 W。選擇分流電阻時(shí)，電流測(cè)量精度和自發(fā)熱效應(yīng)均應(yīng)考慮。

　　AD8603配置為減法器，因而能抑制5 V共模電壓，并放大目標(biāo)信號(hào)IS × RS。該信號(hào)放大20倍，以配合 AD7453 ADC的2.5 V滿量程輸入范圍。ADC的滿量程2.5 V輸入信號(hào)對(duì)應(yīng)于?48 V電源的1.25 A電流。選擇AD8603的原因是其具有低輸入偏置電流、低失調(diào)漂移以及軌到軌輸入和輸出特性。軌到軌輸出使得AD8603能夠與ADC共用同一電源。應(yīng)當(dāng)注意，由于存在輸出級(jí)，AD8603的輸出只能降至地以上約50 mV，對(duì)應(yīng)的輸入電流IS 約為25 mA。因此，本電路無(wú)法測(cè)量約低于25 mA的電流。不過(guò)，通常并不要求以高精度測(cè)量非常低的電流。

　　構(gòu)成減法器的四個(gè)電阻的比率必須匹配，才能獲得最大共模抑制（CMR）性能。在這一級(jí)中，減法器必須抑制AD629的5 V共模信號(hào)。

　　使用12位ADC AD7453的原因在于其具有偽差分輸入，能夠簡(jiǎn)化AD8603與ADC的接口。此外，該ADC采用小尺寸封裝，成本低，因此適合對(duì)成本敏感或尺寸受限的應(yīng)用。

　　AD780 精度高且易于使用，所以12位ADC AD7453選其作為基準(zhǔn)電壓源。

　　我們已針對(duì)?48 V和?60 V供電軌對(duì)本電路進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)得的數(shù)字化輸出電壓與電流的函數(shù)關(guān)系如圖2所示。從圖中可以看出，實(shí)際值與預(yù)期值高度相關(guān)，并且本電路在不同共模電壓下均具有良好的線性。

　　圖2：?48 V和?60 V共模電壓下數(shù)字化輸出電壓與電流的關(guān)系　　AD629的CMR引起的誤差最大。總失調(diào)誤差會(huì)被放大20倍，即差動(dòng)放大器AD8603的信號(hào)增益，因此可能高達(dá)156 mV（折合到AD8603輸出端）。

　　另外，由計(jì)算可知，輸入差動(dòng)放大器的CMR對(duì)于實(shí)現(xiàn)低失調(diào)非常重要。如果該電流檢測(cè)電路用在室外，則溫度特性（初始增益漂移、失調(diào)電壓漂移和整個(gè)溫度范圍內(nèi)的CMR）十分重要，AD629將是此類應(yīng)用的理想之選。

　　AD8603的失調(diào)電壓（最大值為0.3 mV）和偏置電流（1 pA）會(huì)引起一定的誤差。當(dāng)噪聲增益為21時(shí)，它產(chǎn)生的最大輸出失調(diào)誤差約為6.3 mV。最大總輸出失調(diào)誤差為AD629 （156 mV）和AD8603 （6.3 mV）各自引起的誤差之和，即162.3 mV（折合到AD8603輸出端）。幸運(yùn)的是，這一誤差可通過(guò)系統(tǒng)校準(zhǔn)予以消除。

　　同時(shí)，如果我們采用典型特性值而不是最大值，則AD8603輸出端的失調(diào)電壓約為45 mV。

　　AD629的失調(diào)誤差可以利用最大特性值計(jì)算，如下所示：

　　初始增益誤差0.05 mV

　　失調(diào)電壓1 mV

　　直流CMR （77 dB）6.768 mV

　　總失調(diào)7.818 mV

　　表1：AD629A直流誤差

　　本電路必須構(gòu)建在具有較大面積接地層的多層電路板上。為實(shí)現(xiàn)最佳性能，必須采用適當(dāng)?shù)牟季?、接地和去耦技術(shù)（請(qǐng)參考 教程MT-031——“實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的接地并解開(kāi)AGND和DGND的謎團(tuán)”，以及 教程MT-101——“去耦技術(shù)”）。

　　常見(jiàn)變化

　　基準(zhǔn)電壓源的另一個(gè)選擇是ADR361，它具有小尺寸、低功耗和高精度特性。

　　AD8223 或 AD8226等集成式儀表放大器可以取代AD8603，從而省去AD8603電路的外部電阻匹配要求。如果增益可以為1，則也可使用帶有集成電阻的AD8276 等差動(dòng)放大器代替AD8603。

　　AD629B的CMR比AD629A高9 dB，失調(diào)電壓則為后者的一半，增益誤差也幾乎為后者的一半，這在無(wú)法進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)的情況下至關(guān)重要。

　　如果轉(zhuǎn)換器需要集成度更高的解決方案，則集成12位、1 MSPS ADC的ADuC70xx系列ARM7TDMI?精密模擬微控制器是不錯(cuò)的選擇。