【導讀】本文組合實現了一款精確的高壓正負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。并且詳述了其原理以及測試方法。
電路功能與優勢
圖1所示電路能夠在直流電壓高達±270 V的來源上監控雙向電流，且線性誤差小于1%。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100 mV。
AD629放大器精確測量和緩沖(G = 1)小差分輸入電壓，并抑制最高270 V的高共模電壓。
雙通道AD8622用于將AD629的輸出放大100倍。AD8475漏斗放大器則對信號進行衰減(G = 0.4)，將其從單端轉換成差分形式并進行電平轉換，使其滿足AD7170 Σ-Δ型ADC的模擬輸入電壓范圍要求。
電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+5.0 V隔離電源。
AD7170的測量結果利用一個簡單的雙線SPI兼容串行接口，以數字代碼形式提供。
這一器件組合實現了一款精確的高壓正負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。
圖1：高共模電壓雙向隔離式電流監控器（未顯示所有連接和去耦）
電路描述
該電路針對最大負載電流IMAX下100 mV的滿量程分流電壓而設計。因此，分流電阻值為RSHUNT = (500 mV)/(IMAX).
圖2所示的AD629是一款內置薄膜電阻的差動放大器，支持最高±270 V的連續共模信號，并可提供高達±500 V的瞬變保護。當REF(+)和REF(?)接地時，該器件會將+IN引腳的信號衰減20倍，然后以20倍噪聲增益放大信號，從而在輸出端恢復原始幅度。
圖2：AD629高共模電壓差動放大器
在500 Hz時，AD629A的最小共模抑制比(CMRR)為77 dB，AD629B。
為了維持理想的共模抑制性能，需要滿足幾項重要條件。首先，器件抑制這些共模信號的能力由電源電壓決定，如圖3所示。如果無法實現足夠電壓的雙電源，則共模抑制性能會下降。
圖3：AD629共模電壓范圍與電源電壓的關系
其次，AD629應僅采用內部匹配薄膜電阻在單位增益模式下工作。若使用外部電阻來更改增益，則會因失配誤差而導致共模抑制性能下降。
AD8622是一款CMOS低功耗、精密、雙通道、軌到軌輸出運算放大器，主要用于放大目標信號。
通過級聯兩個增益為–10的反相增益級，AD629的100 mV滿量程輸出會放大100倍，從而獲得10 V滿量程信號。這些值可以是正值，也可以是負值，具體取決于電流方向。
AD8622的雙電源允許輸入和輸出信號在高于地和低于地之間擺動，以便測量雙向輸入電流。
在轉換成數字字之前的信號鏈最后一級上，AD8622輸出電壓接受調理，以適合ADC的模擬輸入電壓范圍。圖4所示的“漏斗放大器”AD8475提供兩個可選衰減系數（0.4和0.8）。此外，信號會轉換成差分形式，輸出端的共模電壓則由VOCM引腳上的電壓決定。采用5 V單電源供電時，模擬輸入電壓范圍為±12.5 V（對于單端輸入）。
圖4：AD8475漏斗放大器
如圖1所示，輸出共模電壓由電阻分壓器設置為2.5 V，而電阻分壓器則由ADR435的5 V基準輸出驅動。
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該系統的主要噪聲源是AD629在0.1 Hz至10 Hz帶寬范圍內的15 μV p-p輸出噪聲。對于100 mV滿量程信號，無噪聲代碼分辨率為：
AD8622的輸出噪聲僅為0.2 μV p-p，與AD629相比可忽略不計。AD8475的輸出噪聲為2.5 μV p-p，當滿量程信號電平為4 V p-p時同樣可忽略不計。
注意，AD7170的電源電壓由四通道隔離器ADuM5402的隔離電源輸出(+5.0 VISO)提供。AD7170的基準電壓由 ADR435精密XFET?基準電壓源提供。ADR435的初始精度為±0.12%（A級），典型溫度系數為2 ppm/°C。ADR435具有7.0 V至18.0 V的寬工作范圍，采用+15.0 V供電軌作為電源。
雖然AD7170 VDD和REFIN(+)都可以采用5.0 V電源，但使用獨立的基準電壓源可提供更高的精度。
AD7170 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，使其不受高共模電壓影響，以免發生故障。
代碼在PC中利用SDP硬件板和LabVIEW軟件進行處理。
圖5比較了LabVIEW記錄的ADC輸出端代碼與基于理想系統而計算的理想代碼。圖中顯示該電路如何在整個輸入電壓范圍內（?100 mV至+100 mV）實現不足0.5%的端點線性誤差。如果需要，可以使用軟件校準消除失調誤差和增益誤差。
圖5：實際代碼、理想代碼、誤差百分比與分流電壓的關系圖
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。有關布局布線和接地的詳細論述，請參考教程MT-031；有關去耦技術的信息，請參考教程MT-101。
AD7170和ADuM5402的電源應當用10 μF和0.1 μF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 μF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-CN0240-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。
常見變化
關于正負電源的高端檢測，目前有多種解決方案可用，包括使用電流檢測放大器、差動放大器或二者組合的IC解決方案。請參考下列電路筆記中介紹的電路：CN0100, CN0188, CN0218。
“高端電流檢測：差動放大器與電流檢測放大器”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。
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-CN0240-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-CN0240-SDPZ板包含要評估的電路，如本筆記所述。SDP評估板與CN0240評估軟件一起使用，可從EVAL-CN0240-SDPZ電路板獲取數據。
設備要求
帶USB端口的Windows XP、Windows Vista（32位）或Windows 7（32位）PC
EVAL-CN0240-SDPZ電路評估板
EVAL-SDP-CB1Z SDP評估板
CN0240評估軟件
電源：+6 V (1 A)或+6 V壁式電源適配器
雙電源：±15 V (10 mA)
最大負載電流下最大電壓為100 mV的分流電阻
電源電壓和電子負載
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”，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-CN0240-SDPZ-SCH.pdf文件。此文件位于CN0240設計支持包中：
設置
EVAL-CN0240-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J4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。
最后，向連接器J4施加任何高電壓之前，必須確保已正確連接并打開±15 V電源(J5)。如果此電源未打開，高電壓可能會損壞U2、AD629以及PCB上的數個其它元件。
測試
為連接到EVAL-CN0240-SDPZ電路板的+6 V電源（或“壁式電源適配器”）通電。將±15 V電源連接到EVAL-CN0240-SDPZ板的U12三引腳螺紋連接器。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。
