摘要： 許多工業(yè)應(yīng)用中，都需要高共模電壓情況下檢測(cè)小差分電壓，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電流監(jiān)控,。但高共模電壓情況下，輸出電流檢測(cè)電路比較復(fù)雜,，精度難以保證,。采用新型高側(cè)電流傳感器AD8205可以簡(jiǎn)化其檢測(cè)電路，并能大大提高其檢測(cè)和控制精度,。
      AD8205是美國(guó)模擬器件公司推出一種單電源高性能差分放大器,，典型單電源供電電壓為5V，其共模電壓輸入范圍為-2~65V,，可以耐受-5~+70V輸入共模電壓,，適用于高共模電壓情況下檢測(cè)小差分電壓工業(yè)設(shè)備中。它增益固定為50V/V,，工作溫度范圍為-40~+125℃,，失調(diào)電壓溫漂小于15µV/℃，增益溫漂小于30ppm/℃(環(huán)境溫度可高達(dá)125℃),，整個(gè)規(guī)定溫度范圍內(nèi)具有優(yōu)良直流性能,，其從直流到100kHz頻帶范圍內(nèi)具有高達(dá)80dB共模抑制比。其測(cè)量環(huán)路誤差小,，精度高,，非常適合用于馬達(dá)控制、傳動(dòng)控制,、磁懸浮控制,、車輛動(dòng)力控制、燃料噴射控制,、引擎管理和DC-DC變換等控制系統(tǒng)中。
 

 
 
  圖1  高側(cè)電流傳感器AD8205內(nèi)部電路原理圖
      內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)及其工作原理
      AD8205內(nèi)部電路由A1和A2兩個(gè)集成運(yùn)放和一個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò),，以及一個(gè)小參考電壓源和偏置電路構(gòu)成,，其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示,。
      A1前置衰減由電阻RA、RB,、RC組成,，可將共模電壓衰減到合適輸入電壓范圍內(nèi)。兩組衰減器構(gòu)成橋式網(wǎng)絡(luò),，衰減率為1/16.7,。輸入信號(hào)衰減以后，使輸入信號(hào)幅值保持供電電源電壓范圍以內(nèi),，當(dāng)輸入電壓超過供電電源電壓或低于公共端電壓時(shí),，內(nèi)部參考電壓起作用，使放大器輸入負(fù)共模電壓信號(hào)時(shí)仍然可以正常工作,。當(dāng)電橋平衡時(shí),，共模電壓信號(hào)產(chǎn)生差分輸入信號(hào)為0V。當(dāng)然,，輸入網(wǎng)絡(luò)同時(shí)也衰減了輸入差分電壓信號(hào),，放大器A1將衰減后信號(hào)放大26倍，其輸入和輸出都采用差分形式以獲最大交流共模抑制比,。另外電阻RA,、RB、RC,、RD和RF激光校準(zhǔn)后電阻匹配率優(yōu)于0.01%,，這種高精度校準(zhǔn)使器件能夠獲超過80dB共模抑制比。
      放大器A2將A1輸出差分信號(hào)轉(zhuǎn)換成單端信號(hào),，并放大32.15倍,。參考輸入端VREF1和VREF2都電阻RREF連接到A2同相輸入端，使輸出可以任意調(diào)整到所需要輸出電壓范圍內(nèi),。當(dāng)兩個(gè)參考輸入端并聯(lián)使用時(shí),，參考電壓從輸入到輸出增益為1V/V；當(dāng)單獨(dú)使用任何一個(gè)參考輸入端時(shí),，其增益為0.5V/V,。AD8205總增益由衰減電路衰減率1/16.7、A1放大倍數(shù)26和A2放大倍數(shù)32.15構(gòu)成,。AD8205具有300μA吸收下拉電流能力,，采用A類PNP管接上拉電阻輸出。
      輸出方式設(shè)置
      單極性輸出
      此方式一般用來測(cè)量流過采樣電阻上單方向變化電流,。有兩種基本模式：以為參考和以V+為參考輸出模式,。單極性工作模式下，當(dāng)差分輸入為0時(shí)，輸出可以偏置到負(fù)向(接近或正向峰值(V+),。當(dāng)差分電壓加到輸入端時(shí),，輸出將反向移動(dòng)到峰值。這時(shí)滿幅輸出所對(duì)應(yīng)輸入差分電壓幅值接近100mV,，它極性由輸出電壓靜態(tài)設(shè)置所決定,。當(dāng)偏置到正向峰值時(shí)，輸入差分電壓應(yīng)該為負(fù),，輸出由正向峰值下降,；反之，若靜態(tài)偏置到,，則輸入差分電壓應(yīng)該為正,，輸出由0上升。 

  (a)高側(cè)電流傳感器和低側(cè)開關(guān)方式    (b)高側(cè)電流傳感器和高側(cè)開關(guān)方式
       圖4 電路配置方式
      以為參考輸出連接方式如圖2(a)所示,。它兩個(gè)參考輸入端都接到上,，當(dāng)輸入差分電壓為0時(shí)，其輸出被偏置到反相峰值(約0.05V),。
      以V+為參考輸出連接方式如圖2(b)所示,。它兩個(gè)參考輸入端都連接到正電源上，當(dāng)輸入差分電壓為0時(shí),，其輸出被偏置到正相峰值(約4.8V),。
      雙極性輸出
      雙極性輸出時(shí)AD8205可以測(cè)量流過采樣電阻上雙向電流，這時(shí),，輸出可以偏置到輸出范圍內(nèi)任意位置,。當(dāng)被檢測(cè)正反兩個(gè)方向上電流為等幅時(shí)，其輸出必須偏置到滿量程輸出中間位置,。當(dāng)雙向電流幅值不對(duì)稱時(shí),，輸出偏置可以對(duì)應(yīng)偏離半量程位置。它兩個(gè)參考輸入VREF1和VREF2分別連接一個(gè)內(nèi)部電阻RREF后接到同一個(gè)內(nèi)部偏置節(jié)點(diǎn),，這兩個(gè)參考輸入端操作方式完全相同,。兩個(gè)參考電壓輸入端接入對(duì)應(yīng)電壓，即可完成對(duì)輸出偏置,。雙極性輸出方式下,，一般有以下兩種連接方式。
      1)當(dāng)輸入雙向電流幅值相同時(shí),，將兩個(gè)參考電壓輸入端都連接到一個(gè)外部參考電壓源輸出端,，如圖3(a)所示連接。當(dāng)輸入電壓相-IN為負(fù),，輸出電壓將從參考電壓下降,。反之,，當(dāng)輸入電壓相-IN為正，輸出電壓將從參考電壓上升,。
      2)將兩個(gè)參考電壓輸入端其中一個(gè)接到電源電壓V+端,，另一個(gè)參考電壓輸入端接，如圖3(b)所示連接,。當(dāng)輸入差分電壓為0時(shí)，輸出電壓被偏置到AD8205供電電源電壓中間位置,。這種接法好處測(cè)量雙向電流時(shí)不需要外接參考源,，輸出將按比率自動(dòng)跟隨供電電源電壓變化而產(chǎn)生半幅偏置。也就是說,，電源電壓是升降,，輸出偏置點(diǎn)將一直保持電源電壓中間位置。例如,，電源電壓為5V時(shí),，輸出偏置到2.5V；而當(dāng)電源電壓上升10%時(shí),，輸出將偏置到2.75V,。
      典型應(yīng)用
      高側(cè)電流傳感器和低側(cè)開關(guān)方式
      如圖4(a)所示連接，PWM控制開關(guān)源極接參考,，感性負(fù)載和采樣電阻串聯(lián)連接電源和PWM控制開關(guān)之間,。當(dāng)PWM開關(guān)閉合時(shí)，采樣電阻上共模電壓下降到接近負(fù)向峰值,；當(dāng)PWM開關(guān)打開時(shí),，采樣電阻上產(chǎn)生共模電壓為電源電壓和續(xù)流二極管正向壓降電壓和。采用這種方式優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)PWM開關(guān)關(guān)閉時(shí),，采樣電阻置于電源高側(cè),，采樣電阻仍然電流回路當(dāng)中，使負(fù)載上全部電流,，包括續(xù)流電流,，仍然可以監(jiān)測(cè)，容易識(shí)別對(duì)短路故障以實(shí)現(xiàn)電路短路保護(hù),。
      高側(cè)電流傳感器和高側(cè)開關(guān)方式
      如圖4(b)所示連接,，PWM開關(guān)和采樣電阻都位于電壓高側(cè)。當(dāng)PWM開關(guān)打開時(shí),，負(fù)載電源將被移除,，但仍然可以提供和監(jiān)測(cè)續(xù)流電流，以實(shí)現(xiàn)電流控制診斷,。工作過程中,，大部分時(shí)間電源都和負(fù)載隔離，這樣可將負(fù)載對(duì)之間差分電壓所引起不良影響減到最小。當(dāng)PWM開關(guān)閉合時(shí),，電源電壓將連接到負(fù)載,，這時(shí)共模電壓將增加到電源電壓。而PWM開關(guān)打開時(shí),，電壓將反轉(zhuǎn)并感性負(fù)載,，續(xù)流二極管作用，使采樣電阻上共模電壓保持為一個(gè)低于二極管導(dǎo)通壓降,。 
  
  
 

   馬達(dá)控制
      如圖5所示連接,，AD8205H橋馬達(dá)控制電路中作為控制回路一部分，馬達(dá)和采樣電阻串連后放置H橋中間,，檢測(cè)采樣電阻上電壓,，可以準(zhǔn)確測(cè)量馬達(dá)當(dāng)前電流及其方向。此時(shí),，AD8205輸出被設(shè)定成外部參考雙向方式,，這樣它可以測(cè)量H橋開關(guān)雙向電流并同時(shí)監(jiān)測(cè)馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)方向。一個(gè)特別穩(wěn)定參考電平,，以為參考將會(huì)導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確性,。，這種測(cè)試方案要比以作為參考電平測(cè)試方法好多,。
      結(jié)語
      總之,，采用AD8205實(shí)現(xiàn)高共模電壓情況下檢測(cè)小差分電壓電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，監(jiān)測(cè)精度高,。它特別適用于42V汽車系統(tǒng)動(dòng)力監(jiān)控,、液壓控制、磁懸浮控制等控制系統(tǒng)中,。