ADI實驗室電路:具有輸入過壓保護的高端電流檢測 - 全文

電路功能與優(yōu)勢

發(fā)生瞬變后，或者連接、斷開或關(guān)斷監(jiān)控電路時，高端電流監(jiān)控器可能遇到過壓情況。圖1所示電路使用具有過壓保護功能、作為差動放大器連接的 ADA4096-2運算放大器來監(jiān)控高端電流。 ADA4096-2具有輸入過壓保護功能，對于高于32 V及低于供電軌的電壓，不會發(fā)生反相或閂鎖。

圖1. 具有輸入過壓保護的高端電流檢測（原理示意圖：未顯示所有連接和去耦）

該電路采用可調(diào)低壓差500 mA線性穩(wěn)壓器 ADP3336供電，如果需要，后者還可用于為系統(tǒng)其他器件供電。設(shè)置為5 V輸出時，輸入電壓范圍為5.2 V至12 V。為了省電，可通過將 ADP3336 SD 引腳置位低電平來關(guān)斷電流檢測電路，而電源（例如太陽能電池板）仍可工作。這將對未供電的 ADA4096-2的輸入端施加電壓，但在最高可達32 V的輸入電壓下不會發(fā)生閂鎖或損壞。如果需要較低吞吐速率， AD7920 也可在樣本間關(guān)斷。 AD7920在關(guān)斷時的最大功耗為5 μW，上電時為15 mW。在工作條件下， ADA4096-2僅需120 μA。工作電壓為5 V時，功耗僅為0.6 mW。在關(guān)斷模式下， ADP3336僅消耗1 μA。

圖2. ADA4096-2原理示意圖

電路描述

該電路是經(jīng)典的高端電流檢測電路拓撲結(jié)構(gòu)，采用單個檢測電阻。其他四個電阻（雙通道1 kΩ/20 kΩ分壓器）處于薄膜網(wǎng)絡(luò)內(nèi)（以實現(xiàn)比率匹配），用于設(shè)置差動放大器增益。這將放大檢測電阻上產(chǎn)生的兩個電壓間的差異，并抑制共模電壓：

VOUT = （VA – VB）（20 kΩ/1 kΩ）

圖2顯示了 ADA4096-2的原理示意圖。輸入級包含兩個并行的差分對（Q1至Q4和Q5至Q8）。隨著輸入共模電壓接近VCC- 1.5 V，Q1至Q4在I1到達最低順從電壓時關(guān)斷。相反，隨著輸入共模電壓接近VEE+ 1.5 V，Q5至Q8在I2到達最低順從電壓時關(guān)斷。此拓撲結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)最大輸入動態(tài)范圍，因為放大器在供電軌外的200 mV下（室溫）仍可處理輸入。

與任何軌到軌輸入放大器一樣，兩個輸入對之間的VOS失配決定放大器的CMRR。如果輸入共模電壓范圍保持在各供電軌1.5 V以內(nèi)，輸入對之間的躍遷便可避免，從而將CMRR改進約10 dB。

ADA4096-2輸入可保護器件不受最高超出各供電軌32 V的輸入電壓偏移的影響。此特性對存在電源時序控制問題的應(yīng)用特別重要，該問題可導(dǎo)致信號源在施加放大器電源之前活動。

圖3顯示通過低RDSON內(nèi)部串聯(lián)FET（綠色曲線）提供 ADA4096-2的輸入電流限制能力，并與使用5 kΩ外部串聯(lián)電阻和無保護的運算放大器（紅色曲線）相比較。

圖3. 輸入電流限制能力

圖3是 ADA4096-2采用單位增益緩沖器配置時的情況，其中將電源連接至GND（或±15 V）并對正輸入掃描，直至輸入超過電源達32 V。一般而言，輸入電流在正過壓條件期間限于1 mA，在負欠壓條件期間限于200 μA。例如，在20 V過壓條件下， ADA4096-2輸入電流限于1 mA，從而提供等效于串聯(lián)20 kΩ電阻的電流限制。圖3還顯示，無論是否為放大器供電，電流限制電路均有效。

請注意，圖3僅代表異常條件下的輸入保護。正確的放大器工作輸入電壓范圍（IVR）見 ADA4096-2數(shù)據(jù)手冊的表2至表4。

AD7920是一款12位、高速、低功耗逐次逼近型ADC，采用2.35 V至5.25 V單電源供電，最高吞吐量可達250 kSPS。該器件內(nèi)置一個低噪聲、寬帶寬采樣保持放大器，可處理13 MHz以上的輸入頻率。

轉(zhuǎn)換過程和數(shù)據(jù)采集過程通過CS和串行時鐘SCLK進行控制，從而為器件與微處理器或DSP 接口創(chuàng)造了條件。輸入信號在CS的下降沿進行采樣，而轉(zhuǎn)換同時在此處啟動。該器件無流水線延遲。

AD7920采用先進的設(shè)計技術(shù)，可在下述高吞吐速率的情況下實現(xiàn)極低的功耗，

若要進入關(guān)斷模式，必須在SCLK的第2個下降沿之后、第10個下降沿之前的任意時間將CS變?yōu)楦唠娖剑灾袛噢D(zhuǎn)換過程。一旦CS在SCLK的此窗口內(nèi)變?yōu)楦唠娖剑骷催M入關(guān)斷模式，CS下降沿所啟動的轉(zhuǎn)換終止，SDATA返回三態(tài)。如果CS在第2個SCLK下降沿之前變?yōu)楦唠娖剑瑒t器件仍將處于正常模式，不會關(guān)斷。這可以避免CS線上的毛刺引起意外關(guān)斷。

若要退出這種工作模式并使 AD7920再次上電，需要執(zhí)行一次偽轉(zhuǎn)換。在CS的下降沿，器件開始上電，并且只要CS處于低電平便繼續(xù)上電，直到第10個SCLK的下降沿之后。經(jīng)過16個SCLK后，器件完全上電，下一次轉(zhuǎn)換將產(chǎn)生有效數(shù)據(jù)。

如果CS在第10個SCLK下降沿之前變?yōu)楦唠娖剑瑒t AD7920再次返回關(guān)斷模式。這可以避免CS線上的毛刺引起意外上電，或者CS位于低電平時8個SCLK周期意外爆發(fā)。雖然器件可以在CS的下降沿開始上電，但只要不超過第10個SCLK下降沿，便會在CS的上升沿再次關(guān)斷。

測試結(jié)果

衡量該電路性能的一個重要指標是最終輸出電壓測量結(jié)果中的噪聲量。

圖4顯示了10，000個測量樣本的直方圖。該數(shù)據(jù)是利用連接到 EVAL-SDP-CB1Z系統(tǒng)演示平臺（SDP-B）評估板的CN-0241評估板獲得的。設(shè)置詳情參見本電路筆記的“電路評估與測試”部分。

電源設(shè)置為3.0 V，不關(guān)閉LDO的輸出，在250 kSPS的最大速率下采集10，000個數(shù)據(jù)樣本。圖4顯示了采集結(jié)果。峰峰值噪聲約為2 LSB，對應(yīng)于大約0.3 LSB rms。

圖4. 關(guān)斷前10，000個樣本的碼字直方圖

接著在軟件中將連接至ADP3336的SD關(guān)斷引腳置位低電平，從而關(guān)閉LDO輸出。約1分鐘后，再將ADP3336的關(guān)斷引腳置位高電平，重新開啟輸出，并采集相同數(shù)量的數(shù)據(jù)樣本。圖5顯示了采集結(jié)果。

圖5. 關(guān)斷后10，000個樣本的碼字直方圖

上圖顯示，輸入處于高電平時， ADA4096-2 的輸出在關(guān)斷期間并未閂鎖。

常見變化

經(jīng)驗證，該電路能夠穩(wěn)定地工作，并具有良好的精度。該板同時兼容系統(tǒng)演示平臺SDP-S控制板EVAL-SDP-CS1Z）。

圖1所示電路稍作更改，便可針對最高達+30 V的輸入電源電壓監(jiān)控電流。 ADA4096-2的+V引腳并未連接到 ADP3336的+5 V，而是直接連接到受監(jiān)控的輸入電源。在這種配置中， ADA4096-2直接采用輸入電源供電。

電路評估與測試

本電路使用EVAL-CN0241-SDPZ電路板和 EVAL-SDP-CB1Z 系統(tǒng)演示平臺SDP-B控制器板。這兩片板具有120引腳的對接連接器，可以快速完成設(shè)置并評估電路性能。 EVAL-CN0241-SDPZ板包含要評估的電路，如本筆記所述。SDP-B控制器板與CN0241評估軟件一起使用，可從 EVAL-CN0241-SDPZ電路板獲取數(shù)據(jù)。

設(shè)備要求

帶USB 端口的Windows? XP、Windows Vista?（32位）或Windows? 7（32位）PC

EVAL-CN0241-SDPZ電路評估板

EVAL-SDP-CB1ZSDP-B控制器板

CN0241 SDP評估軟件

能夠驅(qū)動6 V/1 A的直流電源

能夠驅(qū)動5 V/2.5 A的直流電源

2 Ω/12 W負載電阻

開始使用

將CN0241評估軟件光盤放進PC的光盤驅(qū)動器，加載評估軟件。打開“我的電腦”，找到包含評估軟件的驅(qū)動器。

功能框圖

電路框圖參見本電路筆記的圖1，電路原理圖參見“EVAL-CN0241-SDPZ-SCH-RevA.pdf”文件。此文件位于 CN0241 Design Support Package中。

設(shè)置

EVAL-CN0241-SDPZ電路板上的120引腳連接器連接到 EVAL-SDP-CB1Z控制器（SDP-B）板上標有“CON A”的連接器。應(yīng)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。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-B板附帶的USB電纜連接到PC上的USB端口。注意：此時請勿將該USB電纜連接到SDP-B板上的微型USB連接器。

當準備好采集數(shù)據(jù)時，開啟5 V/2.5 A直流電源。對電壓輸出做出相應(yīng)調(diào)節(jié)，以輸出想要測量的電流量。

圖6顯示了CN0241 SDP評估軟件界面的屏幕截圖，圖7顯示了 EVAL-CN0241-SDPZ評估板的屏幕截圖。

測試

為連接到EVAL-CN0241-SDPZ電路板的+6 V電源（或“壁式電源適配器”）通電。啟動評估軟件，并通過USB電纜將PC連接到SDP-B板上的微型USB連接器。

一旦USB通信建立，就可以使用SDP-B板來發(fā)送、接收、捕捉來自EVAL-CN0241-SDPZ板的串行數(shù)據(jù)。

當準備好采集數(shù)據(jù)時，開啟5 V/2.5 A直流電源。對電壓輸出做出相應(yīng)調(diào)節(jié)，以輸出想要測量的電流量。

圖6顯示了CN0241 SDP評估軟件界面的屏幕截圖，圖7顯示了 EVAL-CN0241-SDPZ評估板的屏幕截圖。