智能测试

具有过压保护功能的高端电流检测电路设计

发生瞬变后，或者连接、断开或关断监控电路时，高端电流监控器可能遇到过压情况。图1所示电路使用具有过压保护功能、作为差动放大器连接的 ADA4096-2运算放大器来监控高端电流。 ADA4096-2具有输入过压保护功能，对于高于32 V及低于供电轨的电压，不会发生反相或闩锁。

图1. 具有输入过压保护的高端电流检测（原理示意图：未显示所有连接和去耦）

该电路采用可调低压差500 mA线性稳压器 ADP3336供电，如果需要，后者还可用于为系统其他器件供电。设置为5 V输出时，输入电压范围为5.2 V至12 V。为了省电，可通过将 ADP3336 SD 引脚置位低电平来关断电流检测电路，而电源（例如太阳能电池板）仍可工作。这将对未供电的 ADA4096-2的输入端施加电压，但在可达32 V的输入电压下不会发生闩锁或损坏。如果需要较低吞吐速率， AD7920 也可在样本间关断。 AD7920在关断时的功耗为5 µW，上电时为15 mW。在工作条件下， ADA4096-2仅需120 µA。工作电压为5 V时，功耗仅为0.6 mW。在关断模式下，ADP3336仅消耗1 µA。

图2. ADA4096-2原理示意图

    电路描述
    该电路是经典的高端电流检测电路拓扑结构，采用单个检测电阻。其他四个电阻（双通道1 kΩ/20 kΩ分压器）处于薄膜网络内（以实现比率匹配），用于设置差动放大器增益。这将放大检测电阻上产生的两个电压间的差异，并抑制共模电压：
    VOUT = (VA – VB) (20 kΩ/1 kΩ)
    图2显示了 ADA4096-2的原理示意图。输入级包含两个并行的差分对（Q1至Q4和Q5至Q8）。随着输入共模电压接近VCC- 1.5 V，Q1至Q4在I1到达顺从电压时关断。相反，随着输入共模电压接近VEE+ 1.5 V，Q5至Q8在I2到达顺从电压时关断。此拓扑结构可实现输入动态范围，因为放大器在供电轨外的200 mV下（室温）仍可处理输入。
    与任何轨到轨输入放大器一样，两个输入对之间的VOS失配决定放大器的CMRR。如果输入共模电压范围保持在各供电轨1.5 V以内，输入对之间的跃迁便可避免，从而将CMRR改进约10 dB。
    ADA4096-2输入可保护器件不受超出各供电轨32 V的输入电压偏移的影响。此特性对存在电源时序控制问题的应用特别重要，该问题可导致信号源在施加放大器电源之前活动。
    图3显示通过低RDSON内部串联FET（绿色曲线）提供 ADA4096-2的输入电流限制能力，并与使用5 kΩ外部串联电阻和无保护的运算放大器（红色曲线）相比较。

图3. 输入电流限制能力

    图3是 ADA4096-2采用单位增益缓冲器配置时的情况，其中将电源连接至GND（或±15 V）并对正输入扫描，直至输入超过电源达32 V。一般而言，输入电流在正过压条件期间限于1 mA，在负欠压条件期间限于200 µA。例如，在20 V过压条件下， ADA4096-2输入电流限于1 mA，从而提供等效于串联20 kΩ电阻的电流限制。图3还显示，无论是否为放大器供电，电流限制电路均有效。
    请注意，图3仅代表异常条件下的输入保护。正确的放大器工作输入电压范围(IVR)见 ADA4096-2数据手册的表2至表4。
    AD7920是一款12位、高速、低功耗逐次逼近型ADC，采用2.35 V至5.25 V单电源供电，吞吐量可达250 kSPS。该器件内置一个低噪声、宽带宽采样保持放大器，可处理13 MHz以上的输入频率。
    转换过程和数据采集过程通过CS和串行时钟SCLK进行控制，从而为器件与微处理器或DSP接口创造了条件。输入信号在CS的下降沿进行采样，而转换同时在此处启动。该器件无流水线延迟。
    AD7920采用先进的设计技术，可在下述高吞吐速率的情况下实现极低的功耗，若要进入关断模式，必须在SCLK的第2个下降沿之后、第10个下降沿之前的任意时间将CS变为高电平，以中断转换过程。一旦CS在SCLK的此窗口内变为高电平，器件即进入关断模式，CS下降沿所启动的转换终止，SDATA返回三态。如果CS在第2个SCLK下降沿之前变为高电平，则器件仍将处于正常模式，不会关断。这可以避免CS线上的毛刺引起意外关断。
    若要退出这种工作模式并使 AD7920再次上电，需要执行伪转换。在CS的下降沿，器件开始上电，并且只要CS处于低电平便继续上电，直到第10个SCLK的下降沿之后。经过16个SCLK后，器件完全上电，下转换将产生有效数据。
    如果CS在第10个SCLK下降沿之前变为高电平，则 AD7920再次返回关断模式。这可以避免CS线上的毛刺引起意外上电，或者CS位于低电平时8个SCLK周期意外爆发。虽然器件可以在CS的下降沿开始上电，但只要不超过第10个SCLK下降沿，便会在CS的上升沿再次关断。
    有关时序的详情请参见 AD7920数据手册。
    测试结果
    衡量该电路性能的一个重要指标是终输出电压测量结果中的噪声量。
    图4显示了10,000个测量样本的直方图。该数据是利用连接到 EVAL-SDP-CB1Z系统演示平台(SDP-B)评估板的CN-0241评估板获得的。设置详情参见本电路笔记的“电路评估与测试”部分。
    电源设置为3.0 V，不关闭LDO的输出，在250 kSPS的速率下采集10,000个数据样本。图4显示了采集结果。峰峰值噪声约为2 LSB，对应于大约0.3 LSB rms。

图4. 关断前10,000个样本的码字直方图

接着在软件中将连接至ADP3336的SD关断引脚置位低电平，从而关闭LDO输出。约1分钟后，再将ADP3336的关断引脚置位高电平，重新开启输出，并采集相同数量的数据样本。图5显示了采集结果。

图5. 关断后10,000个样本的码字直方图

    上图显示，输入处于高电平时， ADA4096-2 的输出在关断期间并未闩锁。
    常见变化
    经验证，该电路能够稳定地工作，并具有良好的精度。该板同时兼容系统演示平台SDP-S控制板EVAL-SDP-CS1Z)。
    图1所示电路稍作更改，便可针对达+30 V的输入电源电压监控电流。 ADA4096-2的+V引脚并未连接到 ADP3336的+5 V，而是直接连接到受监控的输入电源。在这种配置中， ADA4096-2直接采用输入电源供电。
    电路评估与测试
    本电路使用EVAL-CN0241-SDPZ电路板和 EVAL-SDP-CB1Z 系统演示平台SDP-B控制器板。这两片板具有120引脚的对接连接器，可以快速完成设置并评估电路性能。 EVAL-CN0241-SDPZ板包含要评估的电路，如本笔记所述。SDP-B控制器板与CN0241评估软件一起使用，可从 EVAL-CN0241-SDPZ电路板获取数据。
    设备要求
    l 带USB端口的Windows? XP、Windows Vista?（32位）或Windows? 7（32位）PC
    l EVAL-CN0241-SDPZ电路评估板
    l EVAL-SDP-CB1ZSDP-B控制器板
    l CN0241 SDP评估软件
    l 能够驱动6 V/1 A的直流电源
    l 能够驱动5 V/2.5 A的直流电源
    l 2 Ω/12 W负载电阻
    开始使用
    将CN0241评估软件光盘放进PC的光盘驱动器，加载评估软件。打开“我的电脑”，找到包含评估软件的驱动器。
    功能框图
    电路框图参见本电路笔记的图1，电路原理图参见“EVAL-CN0241-SDPZ-SCH-RevA.pdf”文件。此文件位于 CN0241 Design Support Package中。
    设置
    EVAL-CN0241-SDPZ电路板上的120引脚连接器连接到 EVAL-SDP-CB1Z控制器(SDP-B)板上标有“CON A”的连接器。应使用尼龙五金配件，通过120引脚连接器两端的孔牢牢固定这两片板。在断电情况下，将一个+6 V电源连接到板上标有“+6 V”和“GND”的引脚。如果有+6 V“壁式电源适配器”，可以将它连接到板上的管式连接器，代替+6 V电源。SDP-B板附带的USB电缆连接到PC上的USB端口。注意：此时请勿将该USB电缆连接到SDP-B板上的微型USB连接器。
    当准备好采集数据时，开启5 V/2.5 A直流电源。对电压输出做出相应调节，以输出想要测量的电流量。
    图6显示了CN0241 SDP评估软件界面的屏幕截图，图7显示了 EVAL-CN0241-SDPZ评估板的屏幕截图。有关SDP-B板的信息，请参阅SDP-B用户指南。
    测试
    为连接到EVAL-CN0241-SDPZ电路板的+6 V电源（或“壁式电源适配器”）通电。启动评估软件，并通过USB电缆将PC连接到SDP-B板上的微型USB连接器。
    一旦USB通信建立，就可以使用SDP-B板来发送、接收、捕捉来自EVAL-CN0241-SDPZ板的串行数据。
    当准备好采集数据时，开启5 V/2.5 A直流电源。对电压输出做出相应调节，以输出想要测量的电流量。
    图6显示了CN0241 SDP评估软件界面的屏幕截图，图7显示了 EVAL-CN0241-SDPZ评估板的屏幕截图。有关SDP-B板的信息，请参阅SDP-B User Guide。