摘要：ISDN、電信等系統(tǒng)需要一個(gè)負(fù)壓電流檢測(cè)放大器。本應(yīng)用筆記介紹了一種設(shè)計(jì)負(fù)壓電流檢測(cè)放大器的方法。這種方法非常靈活，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單修改即可用于不同的負(fù)壓電流檢測(cè)。本文采用MAX4460單電源儀表放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)。

概述

監(jiān)測(cè)正電源的電流時(shí)，通常使用高邊檢流放大器。然而，對(duì)于ISDN、電信電源，通常需要一個(gè)工作在負(fù)電源的檢流放大器。本應(yīng)用筆記介紹了一種設(shè)計(jì)負(fù)壓檢流放大器的方法。

應(yīng)用舉例

圖1. 電話(huà)局端交換系統(tǒng)的電源框圖

圖1是一個(gè)典型的電話(huà)交換系統(tǒng)的分布電源框圖，整流器把交流電轉(zhuǎn)換成直流電，整流后的直流輸出為48V鉛酸電池充電。電池通過(guò)電話(huà)線(xiàn)給用戶(hù)電話(huà)供電，電池極性的連接使電源電壓為負(fù)值(-48V）。負(fù)電源電壓有助于減緩潮濕的電話(huà)線(xiàn)上由于電化反應(yīng)所產(chǎn)生的腐蝕。電信網(wǎng)絡(luò)可以利用幾個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器從-48V直流輸入產(chǎn)生中等電源。這些中等電源可以用來(lái)給交換機(jī)、射頻、路由器、ATX計(jì)算機(jī)及其它電話(huà)交換機(jī)的電子設(shè)備供電。

電路說(shuō)明

圖2. 利用MAX4460實(shí)現(xiàn)負(fù)電源檢流放大器

圖2所示電路提供了一種負(fù)電源電流檢測(cè)的原理框圖，利用MAX4460或MAX4208儀表放大器，配合一些分立元件實(shí)現(xiàn)。

齊納二極管D1在保證儀表放大器具有足夠的供電電壓的前提下為其提供過(guò)壓保護(hù)。被監(jiān)測(cè)電流通過(guò)檢流電阻RSENSE流入負(fù)電源。儀表放大器必需采用單電源供電并具有地電位檢測(cè)能力。

MAX4460的輸出提供MOSFET M1的柵極驅(qū)動(dòng)，負(fù)反饋環(huán)路確保電阻R3兩端的電壓等于RSENSE兩端的電壓VSENSE。相應(yīng)地，由R3建立與負(fù)載電流成正比的電流：

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

R2的選擇需保證輸出電壓在后級(jí)電路(通常是ADC)所要求的電壓范圍內(nèi)。漏源擊穿電壓需要高于兩個(gè)電源電壓的和(這里為+125V)。如果ADC不是高阻輸入，則在輸出VOUT端需要加一個(gè)額外的緩沖放大器。如果在故障情況下，檢測(cè)電流上升到額定值以上，輸入電壓變成負(fù)值。二極管D2可以將輸出端的負(fù)壓限制到一個(gè)二極管的壓降，為后級(jí)ADC提供保護(hù)。

設(shè)計(jì)步驟

上述設(shè)計(jì)可以很容易地用于高壓、負(fù)電源的電流檢測(cè)。選擇-120V作為負(fù)電源，按照以下步驟設(shè)計(jì)，即可獲得不同電源電壓下的電流檢測(cè)放大器。

1. 選擇齊納管

給齊納管提供一個(gè)偏壓，使其工作在傳輸特性上動(dòng)態(tài)電阻較低的工作點(diǎn)(例如，在其進(jìn)入反向擊穿的區(qū)域)，這樣可以消除PSRR誤差。圖3給出了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)齊納管在反偏配置下齊納電流與齊納電壓之間的關(guān)系曲線(xiàn)。數(shù)據(jù)表明齊納電壓在靠近擊穿電壓的位置不是很穩(wěn)定。通常將偏置點(diǎn)設(shè)置在額定功率規(guī)定的最大電流的25%。這個(gè)偏置點(diǎn)具有較低的動(dòng)態(tài)電阻，而且不會(huì)消耗很大功率。按照下式選擇電阻R1，使電路工作在所要求的偏置點(diǎn)：

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

其中：
VCC = 正電源電壓
VZ = 齊納管穩(wěn)定電壓
|VNEG| = 負(fù)電源電壓絕對(duì)值
IS = MAX4460的電源電流
IZ = 流過(guò)齊納管的電流

R1必須具有適當(dāng)?shù)念~定功率，能夠承受兩端的高壓。也可以利用串、并組合降低對(duì)電阻額定功率得要求。

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圖3. IN750齊納二極管的傳輸特性, VZ = 4.7V

2. 選擇功率晶體管

選擇n溝道MOSFET或JFET時(shí)，需保證漏源之間的額定擊穿電壓大于|VNEG| + VCC。這一點(diǎn)對(duì)于負(fù)壓較高的情況非常重要。

3. 選擇RSENSE

選擇RSENSE時(shí)，需保證滿(mǎn)量程電壓，RSENSE兩端的檢測(cè)電壓，小于等于100mV。

4a. 選擇R3

R3的選擇比較靈活，主要受以下2個(gè)條件的影響：

1. R3減小時(shí)，從式1可以看出，對(duì)于固定增益，功耗將增大。
2. FET的熱噪聲和漏電流決定了選擇R3的上限。

4b. 選擇R2

選擇R2和R3的電阻比等于檢流放大器的電壓增益，輸出電壓為：

VOUT = VCC - IOUT × R2(式3)

從式1和式3可以得到：

VOUT = VCC - (VSENSE × R2/R3)

對(duì)于VSENSE：

電壓增益，Av = -R2/R3(式4)

負(fù)號(hào)表示輸出電壓與輸入檢測(cè)電壓是反相關(guān)系。從式4可以求解得出R2。

結(jié)果

圖4給出了輸出電壓與檢測(cè)電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系。以下典型參數(shù)用于檢流放大器的推導(dǎo)：輸入失調(diào)電壓 = (5 - 4.9831)/49.942

輸入失調(diào)電壓 = (5 - 4.9831)/49.942
= 338μV

增益 = -49.942


圖4. 輸出電壓與檢測(cè)電壓的關(guān)系曲線(xiàn)，T = +25°C

結(jié)論

本文介紹了用精密儀表放大器(如MAX4460)實(shí)現(xiàn)負(fù)電源電流檢測(cè)的方案?？梢愿鶕?jù)上述設(shè)計(jì)步驟重新設(shè)計(jì)電路，用于監(jiān)測(cè)不同的負(fù)壓電源。