寬動(dòng)態(tài)范圍的高端電流檢測(cè)的三種解決方案(3）
在電機(jī)控制、電磁閥控制、通信基礎(chǔ)設(shè)施和電源管理等諸多應(yīng) 用中，電流檢測(cè)是精密閉環(huán)控制所必需的關(guān)鍵功能。如何設(shè)計(jì)寬動(dòng)態(tài)范圍的高端電流檢測(cè)電路，這對(duì)于大多數(shù)工程師來說都具有挑戰(zhàn)性，這里分享由ADI技術(shù)專家Neil Zhao、Wenshuai Liao 和Henri Sino提供的幾個(gè)建議電路供大家參考。
將按照設(shè)計(jì)復(fù)雜度從高到低的順序介紹三種可選解決方案，它們能針對(duì)各種不同的應(yīng)用提供可行的高精度、高分辨率電流檢測(cè)。
1. 使用運(yùn)算放大器、電阻和齊納二極管等分立器件來構(gòu)建電流傳感器。這種解決方案以零漂移放大器AD8628 為核心器件。
2. 使用AD8210 等高壓雙向分流監(jiān)控器來提高集成度，并利用其它外部器件來擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍和精度。
3. 采用針對(duì)應(yīng)用而優(yōu)化的器件， 例如最新推出的AD8217。AD8217 是一款易于使用且高度集成的零漂移電流傳感器，輸入共模電壓范圍為4.5 V 至80 V。
解決方案三：利用零漂移AD8217 進(jìn)行高端電流監(jiān)控
ADI 公司最近推出了一款高壓電流傳感器AD8217，它具有零漂移和500 kHz 帶寬，專門用來增強(qiáng)寬溫度、輸入共模和差分電壓范圍內(nèi)的分辨率和精確度。圖3a 所示為該器件的簡(jiǎn)化框圖；圖3b 顯示了一個(gè)典型應(yīng)用。
圖3. (a) 高分辨率、零漂移分流監(jiān)控器AD8217；(b) 利用AD8217 進(jìn)行高端電流檢測(cè)
為了測(cè)量流過小分流電阻的極小電流，AD8217 提供最小值為20 mV 的輸出范圍（整個(gè)溫度范圍內(nèi)），優(yōu)于AD8210 的50 mV范圍。因此，如果分流電阻上受監(jiān)控的最小負(fù)載電流在電流傳感器中產(chǎn)生20 mV 的最小輸出（相當(dāng)于1 mV 的最小輸入），則用戶可以選擇按圖3b 所示來配置AD8217。AD8217 的輸出電壓與輸入電流之間的關(guān)系可以通過公式3 表示：
AD8217 內(nèi)置一個(gè)低壓差調(diào)節(jié)器(LDO)，它能為放大器提供恒壓電源。該LDO 可以承受4.5 V 至80 V 的高共模電壓，其功能基本上與圖1 中的齊納二極管相似。
AD8217 的工廠設(shè)定增益為20 V/V，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的最大增益誤差為±0.35%。整個(gè)溫度范圍內(nèi)的初始失調(diào)額定值為±300 μV，而且溫漂非常小，僅有±100 nV/°C，這些特性可以改善任何誤差預(yù)算。緩沖輸出電壓可以直接與任何典型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器接口。當(dāng)輸入差分電壓至少為1 mV 時(shí)，無論是否存在共模電壓，AD8217 都能提供正確的輸出電壓。像上例一樣使用10 mΩ 分流電阻時(shí)，最小電流可以低至100 mA。
單芯片解決方案避免了分立解決方案的溫漂和功耗問題。
性能比較
以下部分將給出通過比較這三種不同方法所獲得的測(cè)試結(jié)果。測(cè)試時(shí)通過改變輸入電壓和負(fù)載電阻來調(diào)整流過分流電阻的輸入電流。在所示數(shù)據(jù)中，已執(zhí)行初始校準(zhǔn)來消除與電路板中所有器件相關(guān)的初始增益和失調(diào)誤差。
圖4 為利用圖1 所示電路測(cè)得的RL 上的輸出電壓與流過RSHUNT 的輸入電流低端值之間的線性關(guān)系圖。RSHUNT 為10 mΩ；RG 為13 Ω；RBIAS 為100 Ω；R1 為10 kΩ；負(fù)載電阻為200 Ω；RL 為200 Ω；齊納二極管輸出為5.1 V；運(yùn)算放大器為AD8628；MOSFET 為BSS84。最大相對(duì)誤差為0.69%，而校準(zhǔn)后的平均誤差為0.21%。
圖4. 采用圖1 中AD8628 獲得的低電流測(cè)試結(jié)果
圖5 為利用圖2b 所示電路測(cè)得的AD8210 輸出電壓與流過RSHUNT 的輸入電流低端值之間的線性關(guān)系圖。RSHUNT 為10 mΩ；R1 為20 kΩ；R2 為0.5 kΩ；負(fù)載電阻為200 Ω；外部基準(zhǔn)電壓緩沖器為AD8603。最大相對(duì)誤差為0.03%，而校準(zhǔn)后的平均誤差為0.01%。
圖5. 采用圖2b 中AD8210 獲得的低電流測(cè)試結(jié)果
圖6 為利用圖3b 所示電路測(cè)得的AD8217 輸出電壓與流過RSHUNT 的輸入電流低端值之間的線性關(guān)系圖。RSHUNT 為10 mΩ，且負(fù)載電阻為50 Ω。最大相對(duì)誤差為0.088%，而線性校正后的平均誤差為0.025%。
圖6. 采用圖3b 中AD8217 獲得的低電流測(cè)試結(jié)果
注意，測(cè)試有必要集中在范圍的低端，而不是涵蓋50 mA 至20 A 的整個(gè)范圍。原因是線性度變化主要處于范圍的低輸出電壓（低單極性電流）部分。
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