中心議題：

• 高側電流傳感器AD8205及其應用
• 高側電流傳感器和高側開(kāi)關(guān)方式

解決方案：

• 采用AD8205檢測小差分電壓

• 輸出方式設置

AD8205是美國模擬器件公司推出的一種單電源高性能差分放大器，典型單電源供電電壓為5V，其共模電壓輸入范圍為-2~65V，可以耐受-5~+70V的輸入共模電壓，適用于高共模電壓情況下檢測小差分電壓的工業(yè)設備中。

它的增益固定為50V/V，工作溫度范圍為-40~+125℃，失調電壓溫漂小于15μV/℃，增益溫漂小于30ppm/℃（環(huán)境溫度可高達125℃），在整個(gè)規定溫度范圍內具有優(yōu)良的直流性能，其從直流到100kHz的頻帶范圍內具有高達80dB的共模抑制比。因此其測量環(huán)路誤差小，精度高，非常適合用于馬達控制、傳動(dòng)控制、磁懸浮控制、車(chē)輛動(dòng)力控制、燃料噴射控制、引擎管理和DC-DC變換等控制系統中。
AD8205的內部電路由A1和A2兩個(gè)集成運放和一個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò )，以及一個(gè)小參考電壓源和偏置電路構成，其電路結構如圖1所示。

A1的前置衰減由電阻RA、RB、RC組成，可將共模電壓衰減到合適的輸入電壓范圍內。兩組衰減器構成橋式網(wǎng)絡(luò )，衰減率為1/16.7.輸入信號經(jīng)過(guò)衰減以后，使得輸入信號的幅值保持在供電電源電壓范圍以?xún)?，當輸入電壓超過(guò)供電電源電壓或低于公共地端的電壓時(shí)，內部參考電壓起作用，使得放大器在輸入負共模電壓信號時(shí)仍然可以正常工作。當電橋平衡時(shí)，共模電壓信號產(chǎn)生的差分輸入信號為0V.當然，輸入網(wǎng)絡(luò )同時(shí)也衰減了輸入差分電壓信號，放大器A1將衰減后的信號放大26倍，其輸入和輸出都采用差分形式以獲得最大的交流共模抑制比。另外電阻RA、RB、RC、RD和RF通過(guò)激光校準后的電阻匹配率優(yōu)于0.01%，這種高精度校準使得器件能夠獲得超過(guò)80dB的共模抑制比。

放大器A2將A1輸出的差分信號轉換成單端信號，并放大32.15倍。參考輸入端VREF1和VREF2都經(jīng)過(guò)電阻RREF連接到A2的同相輸入端，使得輸出可以任意調整到所需要的輸出電壓范圍內。當兩個(gè)參考輸入端并聯(lián)使用時(shí)，參考電壓從輸入到輸出的增益為1V/V；當單獨使用任何一個(gè)參考輸入端時(shí)，其增益為0.5V/V.AD8205的總增益由衰減電路的衰減率1/16.7、A1的放大倍數26和A2的放大倍數32.15構成。AD8205具有300μA的吸收下拉電流能力，采用A類(lèi)PNP管接上拉電阻輸出。

輸出方式設置

單極性輸出

此方式一般用來(lái)測量流過(guò)采樣電阻上的單方向變化的電流。有兩種基本模式：以地為參考和以V+為參考的輸出模式。在單極性工作模式下，當差分輸入為0時(shí)，輸出可以偏置到負向（接近地）或正向峰值（V+）。當差分電壓加到輸入端時(shí)，輸出將反向移動(dòng)到峰值。這時(shí)滿(mǎn)幅輸出所對應的輸入差分電壓幅值接近100mV，它的極性由輸出電壓的靜態(tài)設置所決定。當偏置到正向峰值時(shí)，輸入差分電壓應該為負，輸出由正向峰值下降；反之，若靜態(tài)偏置到地，則輸入差分電壓應該為正，輸出由0上升。 以地為參考的輸出連接方式如圖2(a)所示。它的兩個(gè)參考輸入端都接到地上，當輸入的差分電壓為0時(shí)，其輸出被偏置到反相峰值(約0.05V)。

以V+為參考的輸出連接方式如圖2(b)所示。它的兩個(gè)參考輸入端都連接到正電源上，當輸入的差分電壓為0時(shí)，其輸出被偏置到正相峰值(約4.8V)。
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雙極性輸出

雙極性輸出時(shí)AD8205可以測量流過(guò)采樣電阻上的雙向電流，這時(shí)，輸出可以偏置到輸出范圍內的任意位置。當被檢測的正反兩個(gè)方向上的電流為等幅時(shí)，其輸出必須偏置到滿(mǎn)量程輸出的中間位置。當雙向電流幅值不對稱(chēng)時(shí)，輸出偏置可以對應地偏離半量程位置。它的兩個(gè)參考輸入VREF1和VREF2分別連接一個(gè)內部電阻RREF后接到同一個(gè)內部偏置節點(diǎn)，這兩個(gè)參考輸入端的操作方式完全相同。在兩個(gè)參考電壓輸入端接入對應的電壓，即可完成對輸出的偏置。在雙極性輸出方式下，一般有以下兩種連接方式。

1)當輸入雙向電流幅值相同時(shí)，將兩個(gè)參考電壓輸入端都連接到一個(gè)外部參考電壓源的輸出端，如圖3(a)所示連接。當輸入電壓相對于-IN為負，輸出電壓將從參考電壓下降。反之，當輸入電壓相對于-IN為正，輸出電壓將從參考電壓上升。

2)將兩個(gè)參考電壓輸入端的其中一個(gè)接到電源電壓V+端，另一個(gè)參考電壓輸入端接地，如圖3(b)所示連接。當輸入差分電壓為0時(shí)，輸出電壓被偏置到AD8205的供電電源電壓的中間位置。這種接法的好處在于測量雙向電流時(shí)不需要外接參考源，輸出將按比率地自動(dòng)跟隨供電電源電壓的變化而產(chǎn)生半幅偏置。也就是說(shuō)，不管電源電壓是升還是降，輸出偏置點(diǎn)將一直保持在電源電壓的中間位置。例如，電源電壓為5V時(shí)，輸出偏置到2.5V；而當電源電壓上升10%時(shí)，輸出將偏置到2.75V。

典型應用

高側電流傳感器和低側開(kāi)關(guān)方式

如圖4(a)所示連接，PWM控制開(kāi)關(guān)的源極接參考地，感性負載和采樣電阻串聯(lián)連接在電源和PWM控制開(kāi)關(guān)之間。當PWM開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，采樣電阻上的共模電壓下降到接近負向峰值；當PWM開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，采樣電阻上產(chǎn)生的共模電壓為電源電壓和續流二極管的正向壓降的電壓和。采用這種方式的優(yōu)點(diǎn)是當PWM開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，由于采樣電阻置于電源高側，采樣電阻仍然在電流回路當中，使得負載上的全部電流，包括續流電流，仍然可以監測，并且容易識別對地短路故障以實(shí)現電路的短路保護。

高側電流傳感器和高側開(kāi)關(guān)方式

如圖4(b)所示連接，PWM開(kāi)關(guān)和采樣電阻都位于電壓高側。當PWM開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，負載電源將被移除，但仍然可以提供和監測續流電流，以實(shí)現電流控制診斷。在工作過(guò)程中，大部分時(shí)間電源都和負載隔離，這樣可將負載對地之間的差分電壓所引起的不良影響減到最小。當PWM開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，電源電壓將連接到負載，這時(shí)共模電壓將增加到電源電壓。而PWM開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，電壓將反轉并經(jīng)過(guò)感性負載，由于續流二極管的作用，使得采樣電阻上的共模電壓保持為一個(gè)低于地的二極管的導通壓降。
馬達控制

如圖5所示連接，AD8205在H橋馬達控制電路中作為控制回路的一部分，馬達和采樣電阻串連后放置在H橋的中間，通過(guò)檢測采樣電阻上的電壓，可以準確地測量馬達當前的電流及其方向。此時(shí)，AD8205的輸出被設定成外部參考雙向的方式，這樣它可以測量H橋開(kāi)關(guān)的雙向電流并同時(shí)監測馬達的運轉方向。由于地不是一個(gè)特別穩定的參考電平，以地為參考將會(huì )導致測量的不準確性。因此，這種測試方案要比以地作為參考電平的測試方法好的多。

結語(yǔ)

總之，采用AD8205實(shí)現在高共模電壓情況下檢測小差分電壓的電路結構簡(jiǎn)單可靠，監測精度高。它特別適用于42V汽車(chē)系統的動(dòng)力監控、液壓控制、磁懸浮控制等控制系統中。