基于感測電流串聯(lián)放置IR電壓的光隔離雙極電流檢測設(shè)計方案

從理論上講，電流感測電路的設(shè)計通常是基于簡單的測量，該測量是基于與要感測的電流串聯(lián)放置的電阻兩端產(chǎn)生的IR電壓的簡單測量。從理論上講。但是在實踐中，復(fù)雜的因素有時會結(jié)合在一起，使之變得更加有趣。

例如，為了最大程度地降低電流采樣電阻器中的效率和功率損耗，其電阻通常限制為毫歐，IR電壓發(fā)展為毫伏，并且產(chǎn)生的小信號可能會繼續(xù)存在，需要從共模中提取大型噪聲組件陪伴的10伏（有時為100伏）伏特電源軌的安裝。這些設(shè)計挑戰(zhàn)反映在許多創(chuàng)新拓撲和專用設(shè)備的開發(fā)中（僅后者就有52種來自ADI?。?。

這個設(shè)計思想從另一個角度解決了這個經(jīng)典問題。它僅使用通用組件，即可實現(xiàn)與任一極性的DC源以及AC兼容的光隔離（因此具有共模免疫）電流檢測拓撲。由此產(chǎn)生的電路可以說是通用 電流傳感器，它也很便宜，因為它的任何部件成本都不超過1美元。它是這樣工作的（圖1）。

圖1此設(shè)計思路的光隔離雙極電流檢測原理圖

參考該原理圖，分流電阻器Rs填補了通常的電流采樣電阻的作用，在此示例中，Rs = 5毫歐時，將測量滿量程因子設(shè)置為Is = 0.1 / Rs = 20安培。但是，通過選擇合適的電阻器，可以選擇幾乎所有的滿量程電流。由Rs產(chǎn)生的電壓Vs由光電耦合器O1和O2的串聯(lián)LED采樣，根據(jù)經(jīng)典二極管方程式的變化形式（從制造商的數(shù)據(jù)手冊I / V曲線中圖形化地得出）：

I F（安培） = e （V – 1.45）/0.065）盡管LED具有出色的發(fā)光能力，但只要將I F限制在其最大額定電流的?0.0001至0.1th之內(nèi)，LED仍然只是皮膚下的二極管，其對數(shù)/指數(shù)功能非常有用。有用的對數(shù)/指數(shù)計算的類似標(biāo)準(zhǔn)也適用于此處同樣使用的1N4001。

O1和O2 LED的背對背串聯(lián)連接減去并抵消了固定的1.45V二極管方程，剩下由Rb提供的偏置電流Ib（標(biāo)稱值為2mA）按比例分配：

I F2 / I F1 = e （Vs / 0.065），

從Vs = 0（零電流）時的1.00變化至：

在Vs = 100mV（20A x 0.005歐姆）時e （0.1 / 0.065） = e （1.54） = 4.66。

請注意，分流的比率與Ib的精確大小無關(guān)，因此基于比率的電流測量的精度在很大程度上不受Ib的影響，因此不受電源電壓變化的影響。還要注意比率計算對電流反轉(zhuǎn)的響應(yīng)能力：

例如， 在Vs = ?100mV時I F2 / I F1 = e （Vs / 0.065） = e （?1.54） = 1 / 4.66 = 0.215

盡管這些數(shù)字會隨溫度的變化而變化，但與LED的溫度無關(guān)，只要LED的溫度在它們共享的封裝中相互跟蹤即可。而且，由于每個LTV-844發(fā)射器實際上包括一對反并聯(lián)連接的相同LED，所以施加電壓的反向僅將發(fā)射從該對中的一個LED切換到另一個LED，從而使電流檢測功能受到影響。這提供了前面提到的雙極性和交流功能。

然后，O1 / O2 LED的發(fā)射與I F2 / I F1的比例成比例，從而導(dǎo)致耦合的光電晶體管集電極電流（CTR?80％@ I F = 1mA）具有相似的比率，輸入到D1和D2，產(chǎn)生正向電壓根據(jù)二極管方程式的1N4001計算：

V 1N4001 = 0.91 + 0.051 log e（IF）

V 1N4001的差分 求和結(jié)果為：

A1的輸出= Vd2 – Vd1 =（（-（0.91 + 0.051 log e（I F1））-（-（0.91 + 0.051 log e（I F2）））= 0.051 log e（I F1 / I F2）

然后，由反饋放大器A3控制的參考光O3和O4的D3，D4和A2從相同的對數(shù)比計算中減去此信號。最終結(jié)果是，在使A2的輸出為零時，A3隱式計算出O3 / O4的驅(qū)動信號，該信號精確且線性地鏡像了O1 / O2處的電流檢測信號。該信號被A4縮放以成為最終的電流檢測輸出，并帶有一個可選的Cavg積分電容器來過濾由檢測AC產(chǎn)生的全波整流波形。如果沒有Cavg，傳感器的帶寬大約為50kHz。使用Cavg時，在60Hz時《1％的紋波大約為0.8Hz（RC = 200ms）。

輸出信號的極性反映了電流是從IN流向OUT端口（正），還是從OUT流向IN（負）。這在電池狀態(tài)監(jiān)視中很有用，在該狀態(tài)下，輸出信號的簡單積分將反映電池凈放電與電荷的關(guān)系。

零（偏移）和校準(zhǔn)（增益）微調(diào)器可提供對有源設(shè)備中生產(chǎn)變化的調(diào)節(jié)和校正。二極管方程項的溫度靈敏度的最佳消除是通過安裝對數(shù)比計算二極管D1 – D4的熱接近度和optos O1 – 4共用一個共用封裝來實現(xiàn)的。這是由于D1的唯一特性而簡化的。 –真正重要的D4模擬計算是它的標(biāo)志。

最終的電流傳感器價格便宜，用途廣泛且堅固耐用，能夠消除超過20倍滿量程的電流瞬變（Rs熱容量是限制因素）和大的共模差動（LTV-844的額定電壓為5kV） ?。?。

— W. Stephen Woodward是EDN最豐富和創(chuàng)新的Design Ideas作家之一，還是儀器，傳感器和計量學(xué)的自由顧問。

編輯：hfy