具有過壓保護功能的高端電流檢測電路設計

發(fā)生瞬變后，或者連接、斷開或關斷監(jiān)控電路時，高端電流監(jiān)控器可能遇到過壓情況。圖1所示電路使用具有過壓保護功能、作為差動放大器連接的 ADA4096-2運算放大器來監(jiān)控高端電流。 ADA4096-2具有輸入過壓保護功能，對于高于32 V及低于供電軌的電壓，不會發(fā)生反相或閂鎖。

圖1. 具有輸入過壓保護的高端電流檢測（原理示意圖：未顯示所有連接和去耦）

該電路采用可調低壓差500 mA線性穩(wěn)壓器 ADP3336供電，如果需要，后者還可用于為系統(tǒng)其他器件供電。設置為5 V輸出時，輸入電壓范圍為5.2 V至12 V。為了省電，可通過將 ADP3336 SD 引腳置位低電平來關斷電流檢測電路，而電源（例如太陽能電池板）仍可工作。這將對未供電的 ADA4096-2的輸入端施加電壓，但在最高可達32 V的輸入電壓下不會發(fā)生閂鎖或損壞。如果需要較低吞吐速率， AD7920 也可在樣本間關斷。 AD7920在關斷時的最大功耗為5 µW，上電時為15 mW。在工作條件下， ADA4096-2僅需120 µA。工作電壓為5 V時，功耗僅為0.6 mW。在關斷模式下，ADP3336僅消耗1 µA。

圖2. ADA4096-2原理示意圖

電路描述

該電路是經典的高端電流檢測電路拓撲結構，采用單個檢測電阻。其他四個電阻（雙通道1 kΩ/20 kΩ分壓器）處于薄膜網(wǎng)絡內（以實現(xiàn)比率匹配），用于設置差動放大器增益。這將放大檢測電阻上產生的兩個電壓間的差異，并抑制共模電壓：
VOUT = (VA – VB) (20 kΩ/1 kΩ)

圖2顯示了 ADA4096-2的原理示意圖。輸入級包含兩個并行的差分對（Q1至Q4和Q5至Q8）。隨著輸入共模電壓接近VCC- 1.5 V，Q1至Q4在I1到達最低順從電壓時關斷。相反，隨著輸入共模電壓接近VEE+ 1.5 V，Q5至Q8在I2到達最低順從電壓時關斷。此拓撲結構可實現(xiàn)最大輸入動態(tài)范圍，因為放大器在供電軌外的200 mV下（室溫）仍可處理輸入。

與任何軌到軌輸入放大器一樣，兩個輸入對之間的VOS失配決定放大器的CMRR。如果輸入共模電壓范圍保持在各供電軌1.5 V以內，輸入對之間的躍遷便可避免，從而將CMRR改進約10 dB。

ADA4096-2輸入可保護器件不受最高超出各供電軌32 V的輸入電壓偏移的影響。此特性對存在電源時序控制問題的應用特別重要，該問題可導致信號源在施加放大器電源之前活動。

圖3顯示通過低RDSON內部串聯(lián)FET（綠色曲線）提供 ADA4096-2的輸入電流限制能力，并與使用5 kΩ外部串聯(lián)電阻和無保護的運算放大器（紅色曲線）相比較。

圖3. 輸入電流限制能力

圖3是 ADA4096-2采用單位增益緩沖器配置時的情況，其中將電源連接至GND（或±15 V）并對正輸入掃描，直至輸入超過電源達32 V。一般而言，輸入電流在正過壓條件期間限于1 mA，在負欠壓條件期間限于200 µA。例如，在20 V過壓條件下， ADA4096-2輸入電流限于1 mA，從而提供等效于串聯(lián)20 kΩ電阻的電流限制。圖3還顯示，無論是否為放大器供電，電流限制電路均有效。

請注意，圖3僅代表異常條件下的輸入保護。正確的放大器工作輸入電壓范圍(IVR)見 ADA4096-2數(shù)據(jù)手冊的表2至表4。

AD7920是一款12位、高速、低功耗逐次逼近型ADC，采用2.35 V至5.25 V單電源供電，最高吞吐量可達250 kSPS。該器件內置一個低噪聲、寬帶寬采樣保持放大器，可處理13 MHz以上的輸入頻率。

轉換過程和數(shù)據(jù)采集過程通過CS和串行時鐘SCLK進行控制，從而為器件與微處理器或DSP接口創(chuàng)造了條件。輸入信號在CS的下降沿進行采樣，而轉換同時在此處啟動。該器件無流水線延遲。

AD7920采用先進的設計技術，可在下述高吞吐速率的情況下實現(xiàn)極低的功耗，若要進入關斷模式，必須在SCLK的第2個下降沿之后、第10個下降沿之前的任意時間將CS變?yōu)楦唠娖剑灾袛噢D換過程。一旦CS在SCLK的此窗口內變?yōu)楦唠娖剑骷催M入關斷模式，CS下降沿所啟動的轉換終止，SDATA返回三態(tài)。如果CS在第2個SCLK下降沿之前變?yōu)楦唠娖?，則器件仍將處于正常模式，不會關斷。這可以避免CS線上的毛刺引起意外關斷。

若要退出這種工作模式并使 AD7920再次上電，需要執(zhí)行一次偽轉換。在CS的下降沿，器件開始上電，并且只要CS處于低電平便繼續(xù)上電，直到第10個SCLK的下降沿之后。經過16個SCLK后，器件完全上電，下一次轉換將產生有效數(shù)據(jù)。

如果CS在第10個SCLK下降沿之前變?yōu)楦唠娖剑瑒t AD7920再次返回關斷模式。這可以避免CS線上的毛刺引起意外上電，或者CS位于低電平時8個SCLK周期意外爆發(fā)。雖然器件可以在CS的下降沿開始上電，但只要不超過第10個SCLK下降沿，便會在CS的上升沿再次關斷。

有關時序的詳情請參見 AD7920數(shù)據(jù)手冊。

測試結果

衡量該電路性能的一個重要指標是最終輸出電壓測量結果中的噪聲量。

圖4顯示了10,000個測量樣本的直方圖。該數(shù)據(jù)是利用連接到 EVAL-SDP-CB1Z系統(tǒng)演示平臺(SDP-B)評估板的CN-0241評估板獲得的。設置詳情參見本電路筆記的“電路評估與測試”部分。

電源設置為3.0 V，不關閉LDO的輸出，在250 kSPS的最大速率下采集10,000個數(shù)據(jù)樣本。圖4顯示了采集結果。峰峰值噪聲約為2 LSB，對應于大約0.3 LSB rms。

圖4. 關斷前10,000個樣本的碼字直方圖

接著在軟件中將連接至ADP3336的SD關斷引腳置位低電平，從而關閉LDO輸出。約1分鐘后，再將ADP3336的關斷引腳置位高電平，重新開啟輸出，并采集相同數(shù)量的數(shù)據(jù)樣本。圖5顯示了采集結果。

圖5. 關斷后10,000個樣本的碼字直方圖

上圖顯示，輸入處于高電平時， ADA4096-2 的輸出在關斷期間并未閂鎖。

常見變化

經驗證，該電路能夠穩(wěn)定地工作，并具有良好的精度。該板同時兼容系統(tǒng)演示平臺SDP-S控制板EVAL-SDP-CS1Z)。

圖1所示電路稍作更改，便可針對最高達+30 V的輸入電源電壓監(jiān)控電流。 ADA4096-2的+V引腳并未連接到 ADP3336的+5 V，而是直接連接到受監(jiān)控的輸入電源。在這種配置中， ADA4096-2直接采用輸入電源供電。

電路評估與測試

本電路使用EVAL-CN0241-SDPZ電路板和 EVAL-SDP-CB1Z 系統(tǒng)演示平臺SDP-B控制器板。這兩片板具有120引腳的對接連接器，可以快速完成設置并評估電路性能。 EVAL-CN0241-SDPZ板包含要評估的電路，如本筆記所述。SDP-B控制器板與CN0241評估軟件一起使用，可從 EVAL-CN0241-SDPZ電路板獲取數(shù)據(jù)。

設備要求

? 帶USB端口的Windows® XP、Windows Vista®（32位）或Windows® 7（32位）PC
? EVAL-CN0241-SDPZ電路評估板
? EVAL-SDP-CB1ZSDP-B控制器板
? CN0241 SDP評估軟件
? 能夠驅動6 V/1 A的直流電源
? 能夠驅動5 V/2.5 A的直流電源
? 2 Ω/12 W負載電阻

開始使用

將CN0241評估軟件光盤放進PC的光盤驅動器，加載評估軟件。打開“我的電腦”，找到包含評估軟件的驅動器。

功能框圖

電路框圖參見本電路筆記的圖1，電路原理圖參見“EVAL-CN0241-SDPZ-SCH-RevA.pdf”文件。此文件位于 CN0241 Design Support Package中。

設置

EVAL-CN0241-SDPZ電路板上的120引腳連接器連接到 EVAL-SDP-CB1Z控制器(SDP-B)板上標有“CON A”的連接器。應使用尼龍五金配件，通過120引腳連接器兩端的孔牢牢固定這兩片板。在斷電情況下，將一個+6 V電源連接到板上標有“+6 V”和“GND”的引腳。如果有+6 V“壁式電源適配器”，可以將它連接到板上的管式連接器，代替+6 V電源。SDP-B板附帶的USB電纜連接到PC上的USB端口。注意：此時請勿將該USB電纜連接到SDP-B板上的微型USB連接器。

當準備好采集數(shù)據(jù)時，開啟5 V/2.5 A直流電源。對電壓輸出做出相應調節(jié)，以輸出想要測量的電流量。
圖6顯示了CN0241 SDP評估軟件界面的屏幕截圖，圖7顯示了 EVAL-CN0241-SDPZ評估板的屏幕截圖。有關SDP-B板的信息，請參閱SDP-B用戶指南。

測試

為連接到EVAL-CN0241-SDPZ電路板的+6 V電源（或“壁式電源適配器”）通電。啟動評估軟件，并通過USB電纜將PC連接到SDP-B板上的微型USB連接器。

一旦USB通信建立，就可以使用SDP-B板來發(fā)送、接收、捕捉來自EVAL-CN0241-SDPZ板的串行數(shù)據(jù)。
當準備好采集數(shù)據(jù)時，開啟5 V/2.5 A直流電源。對電壓輸出做出相應調節(jié)，以輸出想要測量的電流量。
圖6顯示了CN0241 SDP評估軟件界面的屏幕截圖，圖7顯示了 EVAL-CN0241-SDPZ評估板的屏幕截圖。有關SDP-B板的信息，請參閱SDP-B User Guide。

圖6. CN0241 SDP評估軟件界面

圖7. 連接到SDP板的EVAL-CN0241-SDPZ評估板

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