应用笔记 4495

用电流检测放大器替代高共模仪表放大器

By: Ahmad Ayar

摘要 : 本应用笔记讨论了电流检测放大器与仪表放大器之间的差异,并说明如何用标准的升压变换器(MAX668)和电流检测放大器(MAX4080)构成一个调节器,从-48V产生+5V电源(非隔离),这在电信行业非常实用。

类似的文章发表在2008年11月1日出版的电力电子技术杂志。

概述

仪表放大器(IA)常用于需要高增益精度和高直流精度的场合,比如:测试测量和实验仪器,但这类器件成本较高。而电流检测放大器价格便宜,能够处理较高的共模电压,部分特性与仪表放大器类似,因而,在某些应用中,比如从-48V至+5V电源变换器中,可以用电流检测放大器替代仪表放大器。

电流检测放大器与仪表放大器

电流检测放大器检测跨接在其差分输入端的精密“检流电阻”的电压,该电阻所处位置的电位高于系统其它电路。放大器输入为差分电压,输出为单端信号并与差分输入精确地成正比关系,该信号以系统地为参考。
对于给定电流,考虑到检流放大器的精密增益,在检流电阻上只需很小的压差,即可产生相应的输出测量电压,从而减轻了电源线上的检流功耗。由此可见,检流放大器符合电压型仪表放大器的基本定义:精密的差分放大器。
检流放大器与仪表放大器的主要差别在于仪表放大器通常工作在以输入电压为横轴、共模电压为纵轴的四象限(正负输入信号-正负共模电压),相比之下,标准的电流检测放大器只工作在一个象限(正信号电压-正共模电压),有些检流放大器工作在两象限(正负输入电压-正共模电压)。对电流检测放大器而言,输入电压的正负由所测电流的极性决定,此外,电流检测放大器的共模电压范围更宽。

在电源转换器中的应用

电流检测放大器的优点在于能够精确放大信号,因此,它不仅可以检测电流,也可以把信号从高压上分离出来,图1所示标准应用(-48V-+5V电源变换器,共地),展示了目前电流检测放大器的工作。
图1. 简单电源转换器,从-48V产生+5V(或+3.3V)电源。
图1. 简单电源转换器,从-48V产生+5V(或+3.3V)电源。
就概念而言,设计一个输入电压和输出电压极性相反的开关型电源转换器并不难,不过,考虑到工程细节,电路拓扑的选择就比较困难。对于工作在正电源的变换器,输出电压与反馈电压的参考电平相同,都是电源的负端,此处为正电源变换器拓扑定义的-48V。
对于输出正压必须与输入电压共地的应用,-48V的参考点与应用要求发生冲突。隔离型拓扑(如反激、正激)的输入电压和输出电压相互隔离,其参考点不同,故可满足此类应用,尽管成本较高,电路复杂,仍被广泛使用。
图1所示标准开关型稳压器采用非隔离拓扑,给出了一种更简单的方案。传统方案中,采用变压器/光耦对输出信号进行隔离、电平转换,反馈到转换器的调整点;本文介绍的方案则采用电流检测放大器(MAX4080F),电源转换器IC是MAX668,当然也可以使用其它升压型变换器。
MAX668升压型变换器的反馈端(FB)设置点为1.25V,MAX4080F在其输出电压(OUT与GND之间)与差分输入电压之间提供5倍增益。对应于1.25V FB电压的差分输入为:1.25/5 = 0.25V。当系统工作在稳压状态时,连接在+5V输出与地(公共端)之间的电阻分压器在MAX4080F的差分输入端产生0.25V电压。
图2给出了输出为+5V或+3.3V,1A恒定负载时,电路的电压调整率。图3为两种输出电压下的负载电流与效率关系图。MAX4080输入压差和对地电压最大达75V,其CMRR(共模抑制比)为120dB。
图2. 图1电路的输出-输入关系曲线:1A恒定负载;随着输入电压的升高,+5V或+3.3V输出保持较好的调整率。
图2. 图1电路的VOUT - VIN关系曲线:1A恒定负载;随着输入电压的升高,+5V或+3.3V输出保持较好的调整率。
图3. 图1所示电路的效率 - 负载电流关系图。
图3. 图1所示电路的效率 - 负载电流关系图。

为什么从-48V产生低压正电源?

过去,为了保护电话线被电蚀,第一代电话交换系统采用了“中央电池”供电方式,相对于大地极性为负,并且,为了保证这些系统中所用的继电器具有良好的低噪声连接,其电源电压(-48V)比其它大多数电池供电系统要高。
但是,从六十年代初期开始,电子系统则向着另一方向迅速发展,即NPN双极型晶体三极管成为主流的有源器件,受此影响,几乎所有模拟和数字系统的电源都是以地为参考点,采用正压供电。
由于目前大部分电信电源采用分布式供电,与早期一样,其主电源仍采用-48V输入,并配有很大的后备电池;另一方面,现代电信系统都为电子设备,需要使用低压正电源供电,因而,从-48V产生低压正电源成为一种通用需求。

结语

由上述可知,电流检测放大器与仪表放大器的部分关键特性相同,某些应用中可以利用廉价的电流检测放大器代替昂贵的仪表放大器。本文介绍了一个替代案例,由电流检测放大器(MAX4080F)和升压型转换器IC (MAX668)构成。电流检测放大器可以精确地放大信号,并将信号从高压上分离出来,不仅实现了电流检测,而且也可支持以地为参考的-48V至+5V转换,这一应用在电信系统中非常普遍。
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