利用精密仪表放大器实现负压电流检测

摘要：ISDN、电信等系统需要一个负压电流检测放大器。本应用笔记介绍了一种设计负压电流检测放大器的方法。这种方法非常灵活，经过简单修改即可用于不同的负压电流检测。本文采用MAX4460单电源仪表放大器进行设计。

概述

监测正电源的电流时，通常使用高边检流放大器。然而，对于ISDN、电信电源，通常需要一个工作在负电源的检流放大器。本应用笔记介绍了一种设计负压检流放大器的方法。

应用举例

图1. 电话局端交换系统的电源框图

图1是一个典型的电话交换系统的分布电源框图，整流器把交流电转换成直流电，整流后的直流输出为48V铅酸电池充电。电池通过电话线给用户电话供电，电池极性的连接使电源电压为负值(-48V）。负电源电压有助于减缓潮湿的电话线上由于电化反应所产生的腐蚀。电信网络可以利用几个DC-DC转换器从-48V直流输入产生中等电源。这些中等电源可以用来给交换机、射频、路由器、ATX计算机及其它电话交换机的电子设备供电。

电路说明

图2. 利用MAX4460实现负电源检流放大器

图2所示电路提供了一种负电源电流检测的原理框图，利用MAX4460或MAX4208仪表放大器，配合一些分立元件实现。

齐纳二极管D1在保证仪表放大器具有足够的供电电压的前提下为其提供过压保护。被监测电流通过检流电阻RSENSE流入负电源。仪表放大器必需采用单电源供电并具有地电位检测能力。

MAX4460的输出提供MOSFET M1的栅极驱动，负反馈环路确保电阻R3两端的电压等于RSENSE两端的电压VSENSE。相应地，由R3建立与负载电流成正比的电流：

IOUT = (ILOAD × RSENSE)/R3 = VSENSE/R3(式1)

R2的选择需保证输出电压在后级电路(通常是ADC)所要求的电压范围内。漏源击穿电压需要高于两个电源电压的和(这里为+125V)。如果ADC不是高阻输入，则在输出VOUT端需要加一个额外的缓冲放大器。如果在故障情况下，检测电流上升到额定值以上，输入电压变成负值。二极管D2可以将输出端的负压限制到一个二极管的压降，为后级ADC提供保护。

设计步骤

上述设计可以很容易地用于高压、负电源的电流检测。选择-120V作为负电源，按照以下步骤设计，即可获得不同电源电压下的电流检测放大器。

1. 选择齐纳管

给齐纳管提供一个偏压，使其工作在传输特性上动态电阻较低的工作点(例如，在其进入反向击穿的区域)，这样可以消除PSRR误差。图3给出了一个标准齐纳管在反偏配置下齐纳电流与齐纳电压之间的关系曲线。数据表明齐纳电压在靠近击穿电压的位置不是很稳定。通常将偏置点设置在额定功率规定的最大电流的25%。这个偏置点具有较低的动态电阻，而且不会消耗很大功率。按照下式选择电阻R1，使电路工作在所要求的偏置点：

IR1 = (VCC + |VNEG| - VZ)/R1 = IS + IZ(式2)

其中：
VCC = 正电源电压
VZ = 齐纳管稳定电压
|VNEG| = 负电源电压绝对值
IS = MAX4460的电源电流
IZ = 流过齐纳管的电流

R1必须具有适当的额定功率，能够承受两端的高压。也可以利用串、并组合降低对电阻额定功率得要求。


图3. IN750齐纳二极管的传输特性, VZ = 4.7V

2. 选择功率晶体管

选择n沟道MOSFET或JFET时，需保证漏源之间的额定击穿电压大于|VNEG| + VCC。这一点对于负压较高的情况非常重要。

3. 选择RSENSE

选择RSENSE时，需保证满量程电压，RSENSE两端的检测电压，小于等于100mV。

4a. 选择R3

R3的选择比较灵活，主要受以下2个条件的影响：

1. R3减小时，从式1可以看出，对于固定增益，功耗将增大。
2. FET的热噪声和漏电流决定了选择R3的上限。

4b. 选择R2

选择R2和R3的电阻比等于检流放大器的电压增益，输出电压为：

VOUT = VCC - IOUT × R2(式3)

从式1和式3可以得到：

VOUT = VCC - (VSENSE × R2/R3)

对于VSENSE：

电压增益，Av = -R2/R3(式4)

负号表示输出电压与输入检测电压是反相关系。从式4可以求解得出R2。

结果

图4给出了输出电压与检测电压的对应关系。以下典型参数用于检流放大器的推导：输入失调电压 = (5 - 4.9831)/49.942

输入失调电压 = (5 - 4.9831)/49.942
= 338µV

增益 = -49.942


图4. 输出电压与检测电压的关系曲线，T = +25°C

结论

本文介绍了用精密仪表放大器(如MAX4460)实现负电源电流检测的方案。可以根据上述设计步骤重新设计电路，用于监测不同的负压电源。