如何快速构建隔离式高电压、高电流测量模块

在工业和通信环境中测试和评估电源系统通常需要进行多重电压和电流测量。各个电源可能以不同的接地作为基准，可能具有正极或负极，或者可能是浮动的，与其他电源域没有明确的关系。通常这些场景下，需要使用单独的浮动万用表，或者通道彼此隔离的多通道表，但这些计量表通常体积笨重，价格昂贵。

对此，ADI设计出一套简单易用的隔离电流和电压测量系统电路（如图1），可用于工业、电信、仪器仪表和自动化测试设备（ATE）应用。系统具有电气隔离特性，主控制器和测量接地之间最高可容许+/-250V。该隔离设计包含数字数据和电源域信号；无需从被测量的电路提供额外的电源。

图1.CN0548功能框图

电流输入范围为+/-10A，可选电压输入范围为16V至80V，可以选择这些值之间的多个范围。电压和电流输入采用16位分辨率、可调的输出数据速率和信号带宽，包括抑制50Hz和60Hz线路噪声的模式。

该电路兼容Arduino尺寸平台板，支持1.8V至5V逻辑电压。与开源固件示例配对时，应用软件能够使用libiio库，通过Linux工业输入/输出(IIO)框架轻松与参考设计通信，该库包括C、C#、MATLAB、Python和LabVIEW的绑定。

评估和设计支持

►      电路评估板

►      CN-0548电路评估板(EVAL-CN0548-ARDZ)

►      ADuCM3029超低功耗Cortex-M3 Arduino尺寸开发板(EVAL-ADICUP3029)

►      设计和集成文件

►      原理图、布局文件、物料清单、机械图、软件

电路描述

电压和电流测量连接

可将CN0548配置为支持多种测量情况。电流检测输入可以将正极或负极电压输入端子，或两者之间的任何电压作为基准电压源，且测量接地与开发平台和所连接主机的接地隔离。

图2显示用于测量一个具有15V接地电源和接地负载的电路的连接。在负载的高端测量负载电流。

图2.+15V高端电流和电压测量

图3显示用于测量负载低端（接地回路）的负载电流的连接。

图3.+15V低端电流和电压测量

图4显示用于测量-48V电源的连接，在负载的接地回路上测量电流。

图4.-48V电压和电流测量

图5显示高端电流测量连接，电源电压高达250V。电压测量通道的输入端可以容许高达+/-250V的电压，而不造成损坏，输出将达到饱和，不会产生有效的测量。

图5.+250V系统电流测量

电压输入

LT1997-2精密高压漏斗放大器内置匹配的电阻网络，将输入电压调节到ADC的输入电压范围内。该器件的增益误差为0.006%，增益漂移为1ppm/°C。可以通过对+INA、+INB、+INC、-INA、-INB和-INC输入进行引脚短接来选择38个独有的衰减因数，通过CN0548上的跳线实现。表1列出了5种跳线设置，涵盖大部分应用和电路的允许输入电压。请参考LT1997-2数据手册查看衰减因数的综合列表。注意，应在将CN0548连接至带电电路之前配置增益设置跳线，在连接至带电电路时，不得移动跳线。

图6.电压范围和极性电路

通过如表2所示配置LT1997-2 REF引脚和AD7798 AIN3引脚电压，可以将CN0548电压输入设置为单极或双极输入范围。 

AD8418A是一款双向高压零漂移电流检测放大器。其固定增益为20V/V，具有10kHz带宽，在整个工作温度范围内的最大增益误差为±0.15%。放大器的输出电压直接连接至ADC的通道1、AIN1-和AIN1+。AD8418A提供出色的输入共模抑制，范围为-2V至+70V。如表3所示，AD8418A通过ISENSE输入端子之间的10mΩ、2W电流检测电阻执行双向电流测量。在双极性模式下，最大输入电流为+/-10A。单极输入范围为0A至高达14A，受到检测电阻的功耗限制。AD8418A输出要求与GND之间具有32mV裕量；请参阅单极和双极电流测量测试结果。

图7.电流输入信号调理和极性电路

模数转换

AD7798是一款16位低功耗高精度∑-∆模数转换器(ADC)，用于测量宽动态范围、低频率信号，例如压力传感器、称重和精密测量应用中的信号。AD7798具有三个缓冲差分输入，带有可编程仪表放大器和片内数字滤波。100mV至5.25V外部基准电压决定满量程输入范围。AD7798的输出数据速率可由用户编程，范围为4.17至470sps；测量带宽以及噪声灵敏性与输出数据速率成正比。大多数电源测量应用不需要高采样率，可以利用较低输出数据速率模式提供的窄带宽。此外，16.7sps和更低的采样率可以提供对50Hz和60Hz线路噪声的同步抑制。AD7798根据输出数据速率使用稍微不同的滤波器类型，以尽可能降低内部噪声源造成的影响。图8显示16.7Hz模式下的滤波器响应。请参阅AD7798数据手册，查看关于所有滤波器模式的完整详细说明。

图8.AD7798滤波器响应，16.7Hz更新速率模式

AD7798的模拟输入是全差分输入，输入范围为。当输入电压处于无缓冲模式且仪表放大器闲置时，绝对电压可以扩展到任一供电轨，这是CN0548默认使用的配置。

CN0548向AD7798提供高电平缓冲信号，因此可以将增益设置为1并禁用缓冲器，以尽可能扩大输入范围。4.096V基准电压产生的输入范围为+/-4.096V，甚至在ADC输入等于或稍低于接地值时，读数也是有效的。

基准电压

CN0548板上使用两个基准电压。A级LT6657（如图9所示）为AD7798提供4.096V基准电压。此器件为带隙基准电压源提供非常低的噪声；在0.1Hz至10Hz带宽内，仅提供0.5ppmP-P，或者平均值为1.24μVp-p。它采用大型输出电容保持稳定，该电容用于降低高频噪声，并为AD7798的动态采样电流提供低阻抗。LT6657对4.096V输出基准电压源的电压调整率通常低于1ppm/V。负载调整率也低于2µV/mA。负载电流中5mA的变化仅使输出电压偏移10µV。

图9.4.096V ADC基准电压源

LT6656为V_SENSE放大器、I_SENSE放大器和ADC负输入提供2.048V偏置电压，使输入端口能够支持双极范围。

噪声性能

LT1997-2的最高输出噪声电压按4衰减，约为1μVp-p。LT6657提供约2μVp-p输出噪声。总值（和的平方根）为1μVp-p和2.0μVp-p，或1.7μVp-p。AD7798的量化噪声为62.5μV，因此将是电压测量中的主要噪声源。在80V输入范围内，折合为输入的噪声约为1.2mV。

在电流测量模式下，AD8418A的输入噪声电压为2.3μVp-p，范围为0.1Hz至10Hz。增益为20时，输出端的反射噪声电压为20×2.3μVp-p，或46μVp-p。这仍然略低于AD7798的量化噪声。虽然固定、无噪声输入可能产生几个闪烁码，仍然可将AD7798视为主要的噪声源。

电源与SPI隔离

LTM2886 µModule的5V串行外设接口(SPI)版本提供隔离型+/-5V电源和隔离型SPI通信。无需使用外部组件，解耦电容集成在模块中。LTM2886对接地层之间的共模瞬态具有极高的耐受度；通过大于30kV/us的共模事件保持无误差运行。LTM2886包含一个独立的逻辑电源引脚，允许主机侧的逻辑电平电压为1.62V和5.5V之间的任何电压。

电路板隔离

图10和图11显示的是电路板隔离栅。该板用于在接地之间提供最大爬电距离，串联采用2个额定值为250V的安全型Y2电容，以降低来自LTM2886的内部开关稳压器的传导噪声。

图10.顶层PCB隔离

图11.底层PCB隔离

常见变化

要实现更高分辨率的ADC，可以使用AD7799 24位Σ-Δ ADC作为替代选项。如果AD7798/AD7799需要2.5V基准电压源，建议使用ADR381或ADR391低噪声低功耗基准电压源。

对于更低满量程电流应用，AD8417是双向、零漂移、电流检测放大器，具有60V/V增益。

在需要信号输入衰减和放大的应用中，LT1997-3是一种可选放大器。LT1997-3将精密运算放大器与高度匹配的电阻相结合，构成可以准确放大电压的单芯片解决方案。在不使用外部组件的情况下，可以实现高达0.0714的衰减，高达+14、精度为0.006% (60ppm)的增益。

CN0548接地之间的最大电位差为+/-250V，受470pF旁路电容限制。更高电压的应用要求修改或移除旁路电容；LTM2886本身可以承受接地之间的2500VRMS，持续1分钟。

对于要求在隔离侧提供更高电压的应用，可以选择使用LTM2883器件。LTM2883是一款完整的6通道数字µModule^®（微模块）电气隔离器。隔离侧包含±12.5V和5V标称电源，每个电源可以提供超过20mA负载电流。每个电源可以使用单个外部电阻来调节其标称值。

电路评估与测试

EVAL-CN0548-ARDZ通过EVAL-ADICUP3029超低功耗Cortex-M3 Arduino尺寸开发板进行测试。有关完整设置详情和其他重要信息，请访问CN0548用户指南。

设备要求

►      万用表

►      EVAL-ADICUP3029

►      EVAL-CN0548-ARDZ

►      台式可变电源（例如Agilent e3631）

►      micro USB电缆B型至A型

►      2片式香蕉形插座

►      Windows、Linux或Mac电脑，具有串行端子，装有Python 3.6或更高版本

开始使用

要设置EVAL-CN0548-ARDZ和相关软件，请使用以下步骤：

1.    如图12所示，连接EVAL-ADI-CUP3029平台板顶部的EVAL-CN0548-ARDZ。

2.    利用附带的micro USB电缆将EVAL-ADICUP3029连接到PC。

3.    在PC中，将预先生成的.hex文件拖放到DAPLINK驱动器中。参考用户指南查看最新的hex文件。

4.    按3029_RESET按钮，或先拔出再重新插入USB电缆来重置ADICUP3029。

5.    通过设备管理器(Windows)或TTY设备文件(Linux)来确定EVAL-ADICUP3029 COM端口。

6.    打开CN0548_simple_plot.py示例Python脚本。（请参考用户指南获取脚本位置。）根据提示设置跳线和输入COM（或tty）端口编号。

7.    为了进行电压检测测量，如图13和图14所示连接主直流源的香蕉接头。将输出电压设置为5.99V至6V，限流值设置为3.9A至4A。

8.    为了进行电流检测测量，如图17和图18所示连接主直流源的香蕉接头。

图12.主机连接

电压测量测试设置

EVAL-CN0548-ARDZ是在单极和双极模式下测试的，按照100mV步长，分别扫描0-40V和-40至+40V输入电压。如图13和图14所示，比较EVAL-CN0548-ARDZ板的读数和Keithley DMM7510 7-1/2数字万用表的读数。LT1997-2的衰减值设置为20，并且AD7798和LT1997-2的基准电压在单极测量模式下设置为0V，在双极测量模式下设置为2.048V。

图13.电压输入测试设置

图14.电压输入测试设置图片

单极和双极电压测试结果

图15和图16显示3个独立的CN0548板的未校正输出。结果符合LT1997-2、LT6657和AD7798精度规格要求。转换函数中的非线性“步长”是LT1997-2进入“over-the-top”模式的点。

图15.单极精度（未校准）

图16.双极精度（未校准）

电流测量测试设置

EVAL-CN0548-ARDZ是在单极和双极模式下测试的，按照100mA步长，分别扫描0A至9A和-9A至+9A输入电流。如图17和图18所示，比较EVAL-CN0548-ARDZ板的读数和Keithley DMM7510高分辨率7½数字万用表的读数。

图17.电流输入测试设置

图18.电流输入测试设置图片

单极和双极电流测量测试结果

图19和图20显示3个单独的CN0548板的未校准精度。增益误差主要取决于±1%公差电流检测电阻。

图19.单极电流测量误差

图20.双极电流测量误差

了解更多

►      CN0548设计支持包

►      CN0548用户指南

►      教程MT-031：实现数据转换器的接地并解开“AGND”和“DGND”的谜团，ADI公司。

►      教程MT-035。运算放大器输入、输出、单电源和轨到轨问题。ADI公司。

►      Cantrell，Mark。应用笔记AN-0971：isoPower器件的辐射控制建议。ADI公司。

ESD警告

ESD（静电放电）敏感器件。带电器件和电路板可能会在没有察觉的情况下放电。尽管本产品具有专利或专有保护电路，但在遇到高能量ESD时，器件可能会损坏。因此，应当采取适当的ESD防范措施，以避免器件性能下降或功能丧失。

ADI公司的Circuits from the Lab™电路由ADI工程师设计构建。每个电路的设计和构建都严格遵循标准工程规范，电路的功能和性能都在实验室环境中以室温条件进行了测试和检验。尽管如此，采用者仍需负责自行测试电路，并确定其是否适用。ADI公司将不对由任何原因、连接到任何所用参考电路上的任何物品所导致的直接、间接、特殊、偶然、必然或者惩罚性的损害负责。

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