摘要： 許多工業應用中，都需要高共模電壓情況下檢測小差分電壓，以實現對電流監控。但高共模電壓情況下，輸出電流檢測電路比較復雜，精度難以保證。采用新型高側電流傳感器AD8205可以簡化其檢測電路，并能大大提高其檢測和控制精度。
      AD8205是美國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小差分電壓工業設備中。它增益固定為50V/V，工作溫度范圍為-40~+125℃，失調電壓溫漂小于15µV/℃，增益溫漂小于30ppm/℃(環境溫度可高達125℃)，整個規定溫度范圍內具有優良直流性能，其從直流到100kHz頻帶范圍內具有高達80dB共模抑制比。其測量環路誤差小，精度高，非常適合用于馬達控制、傳動控制、磁懸浮控制、車輛動力控制、燃料噴射控制、引擎管理和DC-DC變換等控制系統中。
 

 
 
  圖1  高側電流傳感器AD8205內部電路原理圖
      內部電路結構及其工作原理
      AD8205內部電路由A1和A2兩個集成運放和一個電阻網絡，以及一個小參考電壓源和偏置電路構成，其電路結構如圖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。兩組衰減器構成橋式網絡，衰減率為1/16.7。輸入信號衰減以后，使輸入信號幅值保持供電電源電壓范圍以內，當輸入電壓超過供電電源電壓或低于公共端電壓時，內部參考電壓起作用，使放大器輸入負共模電壓信號時仍然可以正常工作。當電橋平衡時，共模電壓信號產生差分輸入信號為0V。當然，輸入網絡同時也衰減了輸入差分電壓信號，放大器A1將衰減后信號放大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激光校準后電阻匹配率優于0.01%，這種高精度校準使器件能夠獲超過80dB共模抑制比。
      放大器A2將A1輸出差分信號轉換成單端信號，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，使輸出可以任意調整到所需要輸出電壓范圍內。當兩個參考輸入端并聯使用時，參考電壓從輸入到輸出增益為1V/V；當單獨使用任何一個參考輸入端時，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26和A2放大倍數32.15構成。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。
      輸出方式設置
      單極性輸出
      此方式一般用來測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，當差分輸入為0時，輸出可以偏置到負向(接近或正向峰值(V+)。當差分電壓加到輸入端時，輸出將反向移動到峰值。這時滿幅輸出所對應輸入差分電壓幅值接近100mV，它極性由輸出電壓靜態設置所決定。當偏置到正向峰值時，輸入差分電壓應該為負，輸出由正向峰值下降；反之，若靜態偏置到，則輸入差分電壓應該為正，輸出由0上升。 

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

   馬達控制
      如圖5所示連接，AD8205H橋馬達控制電路中作為控制回路一部分，馬達和采樣電阻串連后放置H橋中間，檢測采樣電阻上電壓，可以準確測量馬達當前電流及其方向。此時，AD8205輸出被設定成外部參考雙向方式，這樣它可以測量H橋開關雙向電流并同時監測馬達運轉方向。一個特別穩定參考電平，以為參考將會導致測量不準確性。，這種測試方案要比以作為參考電平測試方法好多。
      結語
      總之，采用AD8205實現高共模電壓情況下檢測小差分電壓電路結構簡單可靠，監測精度高。它特別適用于42V汽車系統動力監控、液壓控制、磁懸浮控制等控制系統中。