利用光電耦合器將高端電流檢測(cè)器的工作電壓擴(kuò)展至1kV

通常，在高壓端檢測(cè)直流電流非常困難。大多數(shù)商用化的高端電流檢測(cè)IC能夠很好地工作在30V或40V，新推出的器件(例如：MAX4080/4081)能夠檢測(cè)高達(dá)76V的電源。如果需要工作在更高的電壓下，則可利用檢流放大器與光耦相配合的方式。高壓受限于光耦能夠承受的隔離電壓(圖1)。

圖1. 以地為參考的輸出電壓VOUT = ISHUNT (4.80V/A)，正比于高端負(fù)載電流。當(dāng)前配置下，電路可測(cè)量高達(dá)1A的負(fù)載電流。

一個(gè)精密的高端電流檢測(cè)放大器(U1)和一個(gè)高線性度模擬光電耦合器(U3)能夠?qū)⒏叨斯ぷ麟妷簲U(kuò)展至1000VDC。U3能夠承受連續(xù)的1000VDC。它的UL電壓可達(dá)5000VRMS，持續(xù)時(shí)間1分鐘；瞬態(tài)浪涌電壓可達(dá)8000VDC，持續(xù)時(shí)間10秒(高壓工作時(shí)需要注意各種安全事項(xiàng))。

電路包含一個(gè)浮地單元和一個(gè)接地單元，每個(gè)單元都需要一個(gè)本地的低壓電源。浮地單元檢測(cè)負(fù)載電流，并驅(qū)動(dòng)光耦的高壓側(cè)。接地單元監(jiān)測(cè)光耦的低壓側(cè)，輸出一個(gè)正比于高端負(fù)載電流的電壓。所選用的光耦在高壓側(cè)有一個(gè)用于反饋的光敏二極管，從根本上消除了LED的非線性和溫漂。另外，兩個(gè)光敏二極管的嚴(yán)格匹配保證了信號(hào)在穿過(guò)隔離層時(shí)傳輸函數(shù)保持良好的線性。

工作期間，負(fù)載電流流經(jīng)檢流電阻R1產(chǎn)生一個(gè)小電壓。這個(gè)電壓經(jīng)過(guò)U1檢測(cè)，產(chǎn)生一個(gè)成正比(10mA/V)的電流輸出。這個(gè)正比輸出電流流經(jīng)R2，產(chǎn)生正比于主負(fù)載電流的電壓。電路的其余部分用來(lái)產(chǎn)生了R2兩端電壓的“拷貝”，只不過(guò)是轉(zhuǎn)換到了光耦的低壓側(cè)。U2檢測(cè)R2兩端的電壓，并通過(guò)Q1驅(qū)動(dòng)光耦的LED。LED發(fā)出的光等量地照在高端和低端光敏二極管上。U4檢測(cè)低端光敏二極管并輸出一個(gè)正比于高端負(fù)載電流的電壓。圖中的曲線顯示了輸出電壓和檢測(cè)電流的函數(shù)關(guān)系(圖2)。

圖2. 在圖1設(shè)計(jì)中，輸出電壓和檢測(cè)電流成線性關(guān)系。

如果R3和R5取值相等，則整個(gè)傳輸函數(shù)為：

通過(guò)修改三個(gè)參數(shù)，可以調(diào)整電路能夠檢測(cè)的最大負(fù)載電流和輸出電壓范圍。U1的最大輸出電流為1.5mA，所以最大允許的檢測(cè)電壓為150mV。另外，最大允許的光敏二極管電流為50μA。選擇R1的阻值，使其兩端的電壓在流過(guò)最大負(fù)載電流時(shí)產(chǎn)生150mV的壓降。然后，選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)腞2阻值，使其流過(guò)1.5mA電流時(shí)產(chǎn)生期望得到的最大輸出電壓。選擇匹配的R3和R5，取值應(yīng)保證在最大輸出電壓時(shí)流過(guò)光敏二極管的電流低于50μA：

R3 ≥ (VOUT_MAX)/(50 × 10-6)

電路的輸出部分忠實(shí)地還原了R2兩端的電壓。選擇MAX4162運(yùn)放是由于其極低的輸入偏置電流(1pA)、滿擺幅輸入和輸出、以及能夠工作在9V電池的單電源電壓。如果按圖中所示取R1 = 150mΩ和R2 = 3.32kΩ，當(dāng)檢測(cè)電流ISHUNT = 1A時(shí)，采用上述傳輸函數(shù)計(jì)算，輸出電壓為4.80V。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為ISHUNT = 1.00A時(shí)VOUT = 4.84V，誤差小于1%。

審核編輯：郭婷