高電壓放大器把庫(kù)侖計(jì)數(shù)器范圍擴(kuò)展至 ±270V

 作者：凌力爾特公司(現(xiàn)隸屬 Analog Devices 公司) 信號(hào)調(diào)理產(chǎn)品策略應(yīng)用經(jīng)理 Kris Lokere

庫(kù)侖計(jì)數(shù)器能夠測(cè)量流入或流出電池的電荷，而小的專用 IC 則可直接與約 20V 以下的中低電池電壓相連。通過(guò)采用一個(gè)高電壓放大器作為電平移位器，就能把測(cè)量電路的輸入工作范圍擴(kuò)展至高得多的電壓。LT6375 電壓差動(dòng)放大器具備一些可使該電路在極寬電壓范圍內(nèi)準(zhǔn)確工作的特性。

庫(kù)侖計(jì)數(shù)器的工作原理是測(cè)量一個(gè)檢測(cè)電阻器兩端的電壓，把它作為必需進(jìn)行積分運(yùn)算之電流的指示。圖 1 示出了當(dāng)采用一款低電壓庫(kù)侖計(jì)數(shù)器 LTC2941 時(shí)的典型連接。重要的一點(diǎn)是：庫(kù)侖計(jì)數(shù)器真實(shí)地測(cè)量電壓，接著把它解譯為電流，然后將之作為電荷報(bào)告。通過(guò)去除檢測(cè)電阻器，并設(shè)法驅(qū)動(dòng)庫(kù)侖計(jì)數(shù)器之檢測(cè)引腳兩端的另一個(gè)電壓，它將仍然把該電壓解譯為電流并報(bào)告一個(gè)累積電荷。

圖 1：低電壓庫(kù)侖計(jì)數(shù)器 (比如 LTC2941) 有助于簡(jiǎn)化低電壓測(cè)量

在圖 2 中，LTC6375 的輸出連接至庫(kù)侖計(jì)數(shù)器的檢測(cè)引腳。該 IC 是一款差動(dòng)放大器，這意味著它是連接了高精度電阻器的運(yùn)放，旨在實(shí)現(xiàn)差分輸入電壓的電平移位。差動(dòng)放大器的運(yùn)作將其輸出電壓驅(qū)動(dòng)至一個(gè)按下式計(jì)算的數(shù)值：

OUT = REF + GAIN ×[(+IN) – (-IN)]

LT6375 驅(qū)動(dòng)其輸出引腳，但是 REF 引腳必須連接至一個(gè)低阻抗源。同樣，LTC2941 期望在其 SENSE+ 引腳 (它也是用于該 IC 的電源引腳) 上有一個(gè)低阻抗源?？砂?REF 和 SENSE+ 引腳均連接至用于 I2C 接口的同一個(gè)邏輯電源軌 (例如：3.3V)。通過(guò)把 LT6375 的 OUT 引腳連接至 SENSE– 引腳，LT6375 將把其輸入之間的電壓差加在 LTC2941 的輸入兩端。實(shí)際上，LT6375 充當(dāng)一個(gè)假的檢測(cè)電阻器。

圖 2：一個(gè)增設(shè)的電壓差動(dòng)放大器擴(kuò)展了可進(jìn)行庫(kù)侖計(jì)數(shù)的電壓范圍

差動(dòng)放大器的準(zhǔn)確度在很大程度上取決于電阻器匹配。雖然顯而易見(jiàn)的是電阻器失配直接影響著增益準(zhǔn)確度，但是不太明顯且更加嚴(yán)重的問(wèn)題則是這種電阻器失配將引起失調(diào)誤差。1% 的電阻器失配將引起一個(gè)輸出失調(diào)，該失調(diào)等于電路在其上進(jìn)行電平移位之電壓的 1%。

例如，一個(gè)電平移位至 3V 的 48V 輸入將導(dǎo)致 450mV 的失調(diào)誤差，對(duì)于此類測(cè)量來(lái)說(shuō)該誤差是太大了。LT6375A 規(guī)定了一個(gè) 97dB 的最小共模抑制比 (CMRR)，這意味著一個(gè) 45V 的電平移位會(huì)引起一個(gè)小于 640μV 的失調(diào)。

當(dāng)設(shè)計(jì)高電壓電平移位電路時(shí)，至關(guān)緊要的是確保運(yùn)放的輸入處于其有效工作范圍之內(nèi)。就 LT6375 而言，電源引腳額定在高達(dá) 60V，因此在某些場(chǎng)合中，可采用被測(cè)量的電壓為它供電。這是圖 2 中示出的配置，在此配置中 LT6375 測(cè)量一個(gè) 48V 電源供應(yīng)的電流。最后，該 IC 包括額外的高精度電阻器，這些電阻器可由外部引腳進(jìn)行配置以分割輸入共模范圍，同時(shí)保持差分增益等于 1 倍。在圖 3 中，輔助基準(zhǔn)引腳全部連接至 5V 電源，這分割了 –42V 輸入電壓以將其置于運(yùn)放的電源范圍之內(nèi)。對(duì)于其他的應(yīng)用，LT6375 內(nèi)部的運(yùn)放具有一種獨(dú)特的特性，憑借該特性其輸入能夠在高于電源引腳本身的電壓條件下工作。把這些特性組合起來(lái)，就能設(shè)計(jì)可跨一個(gè) ±270V 輸入范圍監(jiān)視電源的電路。

圖 3：通過(guò)把輔助基準(zhǔn)引腳連接至 5V 電源以分割 –42V 輸入電壓可將輸入置于運(yùn)放的電源范圍之內(nèi)