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摘要：本應(yīng)用筆記介紹了電流檢測放大器與光耦的配合使用，能夠?qū)⒐ぷ麟妷簲U展至1,000V，非常適合高壓應(yīng)用。電路利用光耦的隔離屏障分割1,000V系統(tǒng)的高端和地端。運算放大器用于消除光電二極管的非線性和溫漂，提供精確的、與1kV負載成比例的輸出電壓。?

通常，在高壓端檢測直流電流非常困難。大多數(shù)商用化的高端電流檢測IC能夠很好地工作在30V或40V，新推出的器件(例如：MAX4080/4081)能夠檢測高達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V_OUT?= I_SHUNT?(4.80V/A)，正比于高端負載電流。當(dāng)前配置下，電路可測量高達1A的負載電流。

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

電路包含一個浮地單元和一個接地單元，每個單元都需要一個本地的低壓電源。浮地單元檢測負載電流，并驅(qū)動光耦的高壓側(cè)。接地單元監(jiān)測光耦的低壓側(cè)，輸出一個正比于高端負載電流的電壓。所選用的光耦在高壓側(cè)有一個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，兩個光敏二極管的嚴(yán)格匹配保證了信號在穿過隔離層時傳輸函數(shù)保持良好的線性。

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


圖2. 在圖1設(shè)計中，輸出電壓和檢測電流成線性關(guān)系。

如果R3和R5取值相等，則整個傳輸函數(shù)為：



通過修改三個參數(shù)，可以調(diào)整電路能夠檢測的最大負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最大負載電流時產(chǎn)生150mV的壓降。然后，選擇一個適當(dāng)?shù)腞2阻值，使其流過1.5mA電流時產(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流過光敏二極管的電流低于50μA：

R3 ≥ (V_{OUT_MAX})/(50 × 10^-6)?

電路的輸出部分忠實地還原了R2兩端的電壓。選擇MAX4162運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)檢測電流I_SHUNT?= 1A時，采用上述傳輸函數(shù)計算，輸出電壓為4.80V。實驗結(jié)果為I_SHUNT?= 1.00A時V_OUT?= 4.84V，誤差小于1%。

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