摘要： 许多工业应用中，都需要高共模电压情况下检测小差分电压，以实现对电流监控。但高共模电压情况下，输出电流检测电路比较复杂，精度难以保证。采用新型高侧电流传感器AD8205可以简化其检测电路，并能大大提高其检测和控制精度。
      AD8205是美国模拟器件公司推出一种单电源高性能差分放大器，典型单电源供电电压为5V，其共模电压输入范围为-2~65V，可以耐受-5~+70V输入共模电压，适用于高共模电压情况下检测小差分电压工业设备中。它增益固定为50V/V，工作温度范围为-40~+125℃，失调电压温漂小于15µV/℃，增益温漂小于30ppm/℃(环境温度可高达125℃)，整个规定温度范围内具有优良直流性能，其从直流到100kHz频带范围内具有高达80dB共模抑制比。其测量环路误差小，精度高，非常适合用于马达控制、传动控制、磁悬浮控制、车辆动力控制、燃料喷射控制、引擎管理和DC-DC变换等控制系统中。
 

 
 
  图1  高侧电流传感器AD8205内部电路原理图
      内部电路结构及其工作原理
      AD8205内部电路由A1和A2两个集成运放和一个电阻网络，以及一个小参考电压源和偏置电路构成，其电路结构如图1所示。
      A1前置衰减由电阻RA、RB、RC组成，可将共模电压衰减到合适输入电压范围内。两组衰减器构成桥式网络，衰减率为1/16.7。输入信号衰减以后，使输入信号幅值保持供电电源电压范围以内，当输入电压超过供电电源电压或低于公共端电压时，内部参考电压起作用，使放大器输入负共模电压信号时仍然可以正常工作。当电桥平衡时，共模电压信号产生差分输入信号为0V。当然，输入网络同时也衰减了输入差分电压信号，放大器A1将衰减后信号放大26倍，其输入和输出都采用差分形式以获最大交流共模抑制比。另外电阻RA、RB、RC、RD和RF激光校准后电阻匹配率优于0.01%，这种高精度校准使器件能够获超过80dB共模抑制比。
      放大器A2将A1输出差分信号转换成单端信号，并放大32.15倍。参考输入端VREF1和VREF2都电阻RREF连接到A2同相输入端，使输出可以任意调整到所需要输出电压范围内。当两个参考输入端并联使用时，参考电压从输入到输出增益为1V/V；当单独使用任何一个参考输入端时，其增益为0.5V/V。AD8205总增益由衰减电路衰减率1/16.7、A1放大倍数26和A2放大倍数32.15构成。AD8205具有300μA吸收下拉电流能力，采用A类PNP管接上拉电阻输出。
      输出方式设置
      单极性输出
      此方式一般用来测量流过采样电阻上单方向变化电流。有两种基本模式：以为参考和以V+为参考输出模式。单极性工作模式下，当差分输入为0时，输出可以偏置到负向(接近或正向峰值(V+)。当差分电压加到输入端时，输出将反向移动到峰值。这时满幅输出所对应输入差分电压幅值接近100mV，它极性由输出电压静态设置所决定。当偏置到正向峰值时，输入差分电压应该为负，输出由正向峰值下降；反之，若静态偏置到，则输入差分电压应该为正，输出由0上升。 

  (a)高侧电流传感器和低侧开关方式    (b)高侧电流传感器和高侧开关方式
       图4 电路配置方式
      以为参考输出连接方式如图2(a)所示。它两个参考输入端都接到上，当输入差分电压为0时，其输出被偏置到反相峰值(约0.05V)。
      以V+为参考输出连接方式如图2(b)所示。它两个参考输入端都连接到正电源上，当输入差分电压为0时，其输出被偏置到正相峰值(约4.8V)。
      双极性输出
      双极性输出时AD8205可以测量流过采样电阻上双向电流，这时，输出可以偏置到输出范围内任意位置。当被检测正反两个方向上电流为等幅时，其输出必须偏置到满量程输出中间位置。当双向电流幅值不对称时，输出偏置可以对应偏离半量程位置。它两个参考输入VREF1和VREF2分别连接一个内部电阻RREF后接到同一个内部偏置节点，这两个参考输入端操作方式完全相同。两个参考电压输入端接入对应电压，即可完成对输出偏置。双极性输出方式下，一般有以下两种连接方式。
      1)当输入双向电流幅值相同时，将两个参考电压输入端都连接到一个外部参考电压源输出端，如图3(a)所示连接。当输入电压相-IN为负，输出电压将从参考电压下降。反之，当输入电压相-IN为正，输出电压将从参考电压上升。
      2)将两个参考电压输入端其中一个接到电源电压V+端，另一个参考电压输入端接，如图3(b)所示连接。当输入差分电压为0时，输出电压被偏置到AD8205供电电源电压中间位置。这种接法好处测量双向电流时不需要外接参考源，输出将按比率自动跟随供电电源电压变化而产生半幅偏置。也就是说，电源电压是升降，输出偏置点将一直保持电源电压中间位置。例如，电源电压为5V时，输出偏置到2.5V；而当电源电压上升10%时，输出将偏置到2.75V。
      典型应用
      高侧电流传感器和低侧开关方式
      如图4(a)所示连接，PWM控制开关源极接参考，感性负载和采样电阻串联连接电源和PWM控制开关之间。当PWM开关闭合时，采样电阻上共模电压下降到接近负向峰值；当PWM开关打开时，采样电阻上产生共模电压为电源电压和续流二极管正向压降电压和。采用这种方式优点是当PWM开关关闭时，采样电阻置于电源高侧，采样电阻仍然电流回路当中，使负载上全部电流，包括续流电流，仍然可以监测，容易识别对短路故障以实现电路短路保护。
      高侧电流传感器和高侧开关方式
      如图4(b)所示连接，PWM开关和采样电阻都位于电压高侧。当PWM开关打开时，负载电源将被移除，但仍然可以提供和监测续流电流，以实现电流控制诊断。工作过程中，大部分时间电源都和负载隔离，这样可将负载对之间差分电压所引起不良影响减到最小。当PWM开关闭合时，电源电压将连接到负载，这时共模电压将增加到电源电压。而PWM开关打开时，电压将反转并感性负载，续流二极管作用，使采样电阻上共模电压保持为一个低于二极管导通压降。 
  
  
 

   马达控制
      如图5所示连接，AD8205H桥马达控制电路中作为控制回路一部分，马达和采样电阻串连后放置H桥中间，检测采样电阻上电压，可以准确测量马达当前电流及其方向。此时，AD8205输出被设定成外部参考双向方式，这样它可以测量H桥开关双向电流并同时监测马达运转方向。一个特别稳定参考电平，以为参考将会导致测量不准确性。，这种测试方案要比以作为参考电平测试方法好多。
      结语
      总之，采用AD8205实现高共模电压情况下检测小差分电压电路结构简单可靠，监测精度高。它特别适用于42V汽车系统动力监控、液压控制、磁悬浮控制等控制系统中。