利用单电源器件测量?48V高端电流电路图

　　电路功能与优势

　　?48 V供电轨广泛用于无线基站和电信设备中。用于网络中央交换局时，它可以在?48 V至?60 V之间变化。测量该电压下的电流时，通常需要采用双电源（例如±15 V）供电的器件。一般而言，只有直接与?48 V供电轨接口的前端调理放大器使用双电源，系统其余部分则采用单电源供电。不过，去掉负电源可以简化电路、降低成本。本电路使用AD629 和AD8603 ，仅采用正电源供电，但也能测量?48 V至?60 V时的电流。

　　与低端电流检测相比，高端电流检测可以抑制接地噪声，并能在工作期间检测短路状况。

　　图1：测量?48 V电流的电路（原理示意图）

　　电路描述

　　本电路使用差动放大器AD629调理超出其电源的电压。最小和最大容许输入共模电压由下列公式确定：

　　VCOM_MAX = 20 × （+VS – 1.2） – 19 × VREF

　　VCOM_MIN = 20 × （?VS + 1.2） – 19 × VREF

　　当 VREF = +5 V， +VS = 12 V且?VS = 0 V时，AD629共模输入范围为?71 V至+121 V，足以涵盖?48 V供电轨的整个预期范围。差动放大器AD629检测差分电压 IS × RS，它由流经分流电阻的电流产生。AD629具有固定增益1，因此其输出电压等于 IS × RS +VREF。

　　分流电阻为100 mΩ，容差为0.1%，最大额定功率为1 W。选择分流电阻时，电流测量精度和自发热效应均应考虑。

　　AD8603配置为减法器，因而能抑制5 V共模电压，并放大目标信号IS × RS。该信号放大20倍，以配合 AD7453 ADC的2.5 V满量程输入范围。ADC的满量程2.5 V输入信号对应于?48 V电源的1.25 A电流。选择AD8603的原因是其具有低输入偏置电流、低失调漂移以及轨到轨输入和输出特性。轨到轨输出使得AD8603能够与ADC共用同一电源。应当注意，由于存在输出级，AD8603的输出只能降至地以上约50 mV，对应的输入电流IS 约为25 mA。因此，本电路无法测量约低于25 mA的电流。不过，通常并不要求以高精度测量非常低的电流。

　　构成减法器的四个电阻的比率必须匹配，才能获得最大共模抑制（CMR）性能。在这一级中，减法器必须抑制AD629的5 V共模信号。

　　使用12位ADC AD7453的原因在于其具有伪差分输入，能够简化AD8603与ADC的接口。此外，该ADC采用小尺寸封装，成本低，因此适合对成本敏感或尺寸受限的应用。

　　AD780 精度高且易于使用，所以12位ADC AD7453选其作为基准电压源。

　　我们已针对?48 V和?60 V供电轨对本电路进行了测试，测得的数字化输出电压与电流的函数关系如图2所示。从图中可以看出，实际值与预期值高度相关，并且本电路在不同共模电压下均具有良好的线性。

　　图2：?48 V和?60 V共模电压下数字化输出电压与电流的关系　　AD629的CMR引起的误差最大。总失调误差会被放大20倍，即差动放大器AD8603的信号增益，因此可能高达156 mV（折合到AD8603输出端）。

　　另外，由计算可知，输入差动放大器的CMR对于实现低失调非常重要。如果该电流检测电路用在室外，则温度特性（初始增益漂移、失调电压漂移和整个温度范围内的CMR）十分重要，AD629将是此类应用的理想之选。

　　AD8603的失调电压（最大值为0.3 mV）和偏置电流（1 pA）会引起一定的误差。当噪声增益为21时，它产生的最大输出失调误差约为6.3 mV。最大总输出失调误差为AD629 （156 mV）和AD8603 （6.3 mV）各自引起的误差之和，即162.3 mV（折合到AD8603输出端）。幸运的是，这一误差可通过系统校准予以消除。

　　同时，如果我们采用典型特性值而不是最大值，则AD8603输出端的失调电压约为45 mV。

　　AD629的失调误差可以利用最大特性值计算，如下所示：

　　初始增益误差0.05 mV

　　失调电压1 mV

　　直流CMR （77 dB）6.768 mV

　　总失调7.818 mV

　　表1：AD629A直流误差

　　本电路必须构建在具有较大面积接地层的多层电路板上。为实现最佳性能，必须采用适当的布局、接地和去耦技术（请参考 教程MT-031——“实现数据转换器的接地并解开AGND和DGND的谜团”，以及 教程MT-101——“去耦技术”）。

　　常见变化

　　基准电压源的另一个选择是ADR361，它具有小尺寸、低功耗和高精度特性。

　　AD8223 或 AD8226等集成式仪表放大器可以取代AD8603，从而省去AD8603电路的外部电阻匹配要求。如果增益可以为1，则也可使用带有集成电阻的AD8276 等差动放大器代替AD8603。

　　AD629B的CMR比AD629A高9 dB，失调电压则为后者的一半，增益误差也几乎为后者的一半，这在无法进行系统校准的情况下至关重要。

　　如果转换器需要集成度更高的解决方案，则集成12位、1 MSPS ADC的ADuC70xx系列ARM7TDMI?精密模拟微控制器是不错的选择。