基于感测电流串联放置IR电压的光隔离双极电流检测设计方案

从理论上讲，电流感测电路的设计通常是基于简单的测量，该测量是基于与要感测的电流串联放置的电阻两端产生的IR电压的简单测量。从理论上讲。但是在实践中，复杂的因素有时会结合在一起，使之变得更加有趣。

例如，为了最大程度地降低电流采样电阻器中的效率和功率损耗，其电阻通常限制为毫欧，IR电压发展为毫伏，并且产生的小信号可能会继续存在，需要从共模中提取大型噪声组件陪伴的10伏（有时为100伏）伏特电源轨的安装。这些设计挑战反映在许多创新拓扑和专用设备的开发中（仅后者就有52种来自ADI！）。

这个设计思想从另一个角度解决了这个经典问题。它仅使用通用组件，即可实现与任一极性的DC源以及AC兼容的光隔离（因此具有共模免疫）电流检测拓扑。由此产生的电路可以说是通用 电流传感器，它也很便宜，因为它的任何部件成本都不超过1美元。它是这样工作的（图1）。

图1此设计思路的光隔离双极电流检测原理图

参考该原理图，分流电阻器Rs填补了通常的电流采样电阻的作用，在此示例中，Rs = 5毫欧时，将测量满量程因子设置为Is = 0.1 / Rs = 20安培。但是，通过选择合适的电阻器，可以选择几乎所有的满量程电流。由Rs产生的电压Vs由光电耦合器O1和O2的串联LED采样，根据经典二极管方程式的变化形式（从制造商的数据手册I / V曲线中图形化地得出）：

I F（安培） = e （V – 1.45）/0.065）尽管LED具有出色的发光能力，但只要将I F限制在其最大额定电流的〜0.0001至0.1th之内，LED仍然只是皮肤下的二极管，其对数/指数功能非常有用。有用的对数/指数计算的类似标准也适用于此处同样使用的1N4001。

O1和O2 LED的背对背串联连接减去并抵消了固定的1.45V二极管方程，剩下由Rb提供的偏置电流Ib（标称值为2mA）按比例分配：

I F2 / I F1 = e （Vs / 0.065），

从Vs = 0（零电流）时的1.00变化至：

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

请注意，分流的比率与Ib的精确大小无关，因此基于比率的电流测量的精度在很大程度上不受Ib的影响，因此不受电源电压变化的影响。还要注意比率计算对电流反转的响应能力：

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

尽管这些数字会随温度的变化而变化，但与LED的温度无关，只要LED的温度在它们共享的封装中相互跟踪即可。而且，由于每个LTV-844发射器实际上包括一对反并联连接的相同LED，所以施加电压的反向仅将发射从该对中的一个LED切换到另一个LED，从而使电流检测功能受到影响。这提供了前面提到的双极性和交流功能。

然后，O1 / O2 LED的发射与I F2 / I F1的比例成比例，从而导致耦合的光电晶体管集电极电流（CTR〜80％@ I F = 1mA）具有相似的比率，输入到D1和D2，产生正向电压根据二极管方程式的1N4001计算：

V 1N4001 = 0.91 + 0.051 log e（IF）

V 1N4001的差分 求和结果为：

A1的输出= 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，由反馈放大器A3控制的参考光O3和O4的D3，D4和A2从相同的对数比计算中减去此信号。最终结果是，在使A2的输出为零时，A3隐式计算出O3 / O4的驱动信号，该信号精确且线性地镜像了O1 / O2处的电流检测信号。该信号被A4缩放以成为最终的电流检测输出，并带有一个可选的Cavg积分电容器来过滤由检测AC产生的全波整流波形。如果没有Cavg，传感器的带宽大约为50kHz。使用Cavg时，在60Hz时《1％的纹波大约为0.8Hz（RC = 200ms）。

输出信号的极性反映了电流是从IN流向OUT端口（正），还是从OUT流向IN（负）。这在电池状态监视中很有用，在该状态下，输出信号的简单积分将反映电池净放电与电荷的关系。

零（偏移）和校准（增益）微调器可提供对有源设备中生产变化的调节和校正。二极管方程项的温度灵敏度的最佳消除是通过安装对数比计算二极管D1 – D4的热接近度和optos O1 – 4共用一个共用封装来实现的。这是由于D1的唯一特性而简化的。 –真正重要的D4模拟计算是它的标志。

最终的电流传感器价格便宜，用途广泛且坚固耐用，能够消除超过20倍满量程的电流瞬变（Rs热容量是限制因素）和大的共模差动（LTV-844的额定电压为5kV） ！）。

— W. Stephen Woodward是EDN最丰富和创新的Design Ideas作家之一，还是仪器，传感器和计量学的自由顾问。

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