電路功能與優勢

圖1所示電路監控系統中的電流，可在高達+500 V的正高共模直流電壓下工作，且誤差小于0.2%。負載電流通過一個電路外部的分流電阻。分流電阻值應適當選擇，使得在最大負載電流時分流電壓約為500 mV。

圖1：高共模電壓電流監控器（未顯示所有連接和去耦）

與外部PNP晶體管配合使用時， AD8212 能在具有大于500 V的正高共模電壓情況下，精確放大小差分輸入電壓。

電流隔離由四通道隔離器ADuM5402提供。這不僅是為了提供保護，而且還可將下游電路與高共模電壓隔離開來。除了隔離輸出數據以外，數字隔離器ADuM5402還為電路提供+3.3 V隔離電源。

AD7171 的測量結果通過一個簡單的雙線SPI兼容型串行接口，以數字碼形式提供。

這一器件組合實現了一款精確的正高壓供電軌電流檢測解決方案，具有器件數量少、低成本、低功耗的特點。

電路描述

該電路針對最大負載電流IMAX下500 mV的滿量程分流電壓而設計。因此，分流電阻值為RSHUNT = (500 mV)/(IMAX)。

AD8212工藝具有65 V的擊穿電壓限制。因此，共模電壓必須保持在65 V以下。通過采用外部PNP BJT晶體管，共模電壓范圍可以擴展到500 V以上，具體取決于晶體管的擊穿電壓。

圖2：AD8212采用外部PNP晶體管的高壓工作模式

AD8212沒有專用電源。相反，該器件實際上利用一個內部5 V串聯調節器使自身“浮動”脫離500 V共模電壓，從而創建出一個5 V電源，如圖2所示。此調節器確保所有端子中的最大負端COM（引腳2）始終要比電源電壓(V+)低5 V。

在此工作模式下，AD8212電路的電源電流(IBIAS) )完全基于電源電壓范圍和所選的RBIAS電阻值。例如，對于V+ = 500 V和RBIAS = 500 kΩ，IBIAS = (500 V ?5 V)/RBIAS = 990 μA。

在此高電壓模式下， IBIAS應當介于200 μA和1 mA之間。這樣可以確保偏置電路處于激活狀態，從而讓器件可以正常工作。

注意，500 kΩ偏置電阻(5 × R2)由五個單獨的100 kΩ電阻構成。這是為了提供保護，以防電阻電壓擊穿。通過消除電阻串正下方的接地層，可以增加額外的擊穿保護。

流經外部分流電阻的負載電流在AD8212的輸入端產生電壓。內部放大器A1通過促使晶體管Q1籍由電阻R1傳導必要電流做出響應，以均衡放大器A1反相和同相輸入端處的電位。

流過晶體管Q1發射極的電流(IOUT) 與輸入電壓(VSENSE) 成比例，因此也就與流過分流電阻(ILOAD) 的負載電流(RSHUNT)成比例。輸出電流 (IOUT)通過外部電阻轉換成電壓，而外部電阻值取決于應用中所需的輸入至輸出增益。

AD8212的傳遞函數為：

IOUT = gm × VSENSE

VSENSE = ILOAD × RSHUNT

VOUT = IOUT × ROUT

VOUT = (VSENSE × ROUT)/1000 gm = 1000 μA/V

輸入檢測電壓具有固定范圍，即0 V至500 mV。輸出電壓范圍可以根據ROUT值進行調整。當VSENSE發生1 mV變化時，即可在IOUT上產生1 mA變化，而當后者流過5 kΩ電阻時，又會在VOUT處產生1 mV變化。

在圖1所示電路中，負載電阻為24.9 kΩ，因此增益為5。500 mV的滿量程輸入電壓會產生2.5 V輸出，這對應于AD7171 ADC的滿量程輸入范圍。

AD8212輸出設計用于驅動高阻抗節點。因此，如果與轉換器接口，則建議對ROUT兩端的輸出電壓進行緩沖，以保證AD8212的增益不受影響。

注意， ADR381 和AD7171的電源電壓由四通道隔離器ADuM5402的隔離電源輸出(+3.3 VISO)提供。

AD7171的基準電壓由精密帶隙基準電壓源ADR381提供。ADR381的初始精度為±0.24%，典型溫度系數為5 ppm/°C。

雖然AD7171 VDD和REFIN(+)都可以采用3.3 V電源，但使用獨立的基準電壓源可提供更高的精度。可選擇2.5 V基準電壓源來提供充足的裕量。

AD7171 ADC的輸入電壓在ADC的輸出端轉換為偏移二進制碼。ADuM5402為DOUT數據輸出、SCLK輸入和 PDRST 輸入提供隔離。雖然隔離器是可選器件，但建議使用該器件來保護下游數字電路，使其不受故障狀況下的高共模電壓影響。

代碼在PC中利用SDP硬件板和LabVIEW軟件進行處理。

圖3：評估軟件監控測試電路分流電壓

圖4中的曲線圖顯示，受測試的電路如何在整個輸入電壓范圍(0 mV至500 mV)實現了不足0.2%的誤差。另外還比較了LabVIEW記錄的ADC輸出代碼與基于理想系統而計算的理想代碼。

圖4. 輸出和誤差與分流電壓的關系

PCB 布局考慮

在任何注重精度的電路中，必須仔細考慮電路板上的電源和接地回路布局。PCB應盡可能隔離數字部分和模擬部分。本PCB采用4層板堆疊而成，具有較大面積的接地層和電源層多邊形。有關去耦技術的信息，請參閱指南MT-101。

AD7171和ADuM5402的電源應當用10 F和0.1 F電容去耦，以適當地抑制噪聲并減小紋波。這些電容應盡可能靠近相應器件，0.1 F電容應具有低ESR值。對于所有高頻去耦，建議使用陶瓷電容。

應仔細考慮ADuM5402原邊和副邊之間的隔離間隙。EVAL-CN0218-SDPZ電路板通過拉回頂層上的多邊形或器件，并將其與ADuM5402上的引腳對齊來使該距離最大。

電源走線應盡可能寬，以提供低阻抗路徑，并減小電源線路上的毛刺效應。時鐘和其它快速開關的數字信號應通過數字地將其與電路板上的其它器件屏蔽開。

有關本電路筆記的完整設計支持包，包括電路板布局布線，請參閱http://www.analog.com/CN0218-DesignSupport。

變化

關于正電源的高端檢測，目前有多種解決方案可用，包括使用檢測放大器、差動放大器或二者某種組合的IC解決方案。 “高端電流檢測：差動放大器VS.電流檢測放大器”一文（模擬對話，2008年1月）介紹了電流檢測放大器和差動放大器的使用，閱讀請訪問：www.analog.com/HighSide_CurrentSensing

下列ADI公司產品的URL鏈接有助于解決電流檢測問題：

電流檢測放大器：www.analog.com/CurrentSenseAmps

差動放大器：www.analog.com/DifferenceAmps

儀表放大器：www.analog.com/InstrumentationAmps

圖5：正共模電壓大于+65 V時的雙向電流檢測

圖5顯示了一種可選電路，需要針對大于+65 V的正共模電壓進行雙向電流檢測時可以使用該電路。通過在該配置中實施另一個AD8212，可以分別測量電荷和負載電流。注意，VOUT1會隨著ILOAD流過分流電阻而不斷升高。VOUT2會隨著ICHARGE流過分流電阻而不斷升高。

電路評估與測試

警告！高電壓。此電路可能包含致命電壓。除非是接受過相關培訓、懂得高壓電路操作的專業人員，否則請勿操作、評估或測試此電路，或者進行電路板裝配。加電之前，必須先熟悉該電路以及高壓電路操作的所有必要注意事項。

本電路使用EVAL-CN0218-SDPZ電路板和EVAL-SDP-CB1Z系統演示平臺(SDP)評估板。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-CN0218-SDPZ板包含要評估的電路，如本筆記所述。SDP評估板與CN0218評估軟件一起使用，可從EVAL-CN0218-SDPZ電路板獲取數據。

圖6. EVAL-CN0218-SDPZPCB

設備要求

帶USB端口的Windows? XP、Windows Vista?（32位）或Windows? 7（32位）PC

EVAL-CN0218-SDPZ電路評估板

EVAL-SDP-CB1Z SDP評估板

CN0218評估軟件

電源電壓：+6 V或+6 V壁式電源適配器

最大負載電流下最大電壓為500 mV的分流電阻

電子負載

開始使用

將CN0218評估軟件光盤放進PC的光盤驅動器，加載評估軟件。打開我的電腦摂，找到包含評估軟件光盤的驅動器，打開Readme文件。按照Readme文件中的說明安裝和使用評估軟件。

功能框圖

電路的功能框圖參見本電路筆記的圖1，電路原理圖參見EVAL-CN0218-SDPZ-SCH.pdf文件。此文件位于CN0218設計支持包中

設置

EVAL-CN0218-SDPZ電路板上的120引腳連接器連接到EVAL-SDP-CB1Z (SDP)評估板上標有“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。

將一個分流電阻(RSHUNT)跨接在輸入引腳上，一個負載接地，如圖1所示。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板附帶的USB電纜連接到PC上的USB端口。注：此時請勿將該USB電纜連接到SDP板上的微型USB連接器。

必須連接系統地和PCB隔離地，以保證正確電平和正常工作。通過測試點31和測試點32可以訪問正確形成此連接所需的GND_ISO。

測試

為連接到EVAL-CN0218-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板上的微型USB連接器。

一旦USB通信建立，就可以使用SDP板來發送、接收、捕捉來自EVAL-CN0218-SDPZ板的串行數據。隨著電子負載的逐級調整，可以記錄不同負載電流值下的數據。

有關如何使用評估軟件來捕捉數據的詳細信息，請參閱CN0218評估軟件Readme文件。