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作者: Ahmad Ayar, Maxim Integrated 摘要：本應(yīng)用筆記討論了電流檢測放大器與儀表放大器之間的差異，并說明如何用標(biāo)準(zhǔn)的升壓變換器(MAX668)和電流檢測放大器(MAX4080)構(gòu)成一個(gè)調(diào)節(jié)器，從-48V產(chǎn)生+5V電源(非隔離)，這在電信行業(yè)非常實(shí)用。 介紹 儀表放大器(IA)常用于需要高增益精度和高直流精度的場合，比如：測試測量和實(shí)驗(yàn)儀器，但這類器件成本較高。而電流檢測放大器價(jià)格便宜，能夠處理較高的共模電壓，部分特性與儀表放大器類似，因而，在某些應(yīng)用中，比如從-48V-+5V電源變換器中，可以用電流檢測放大器替代儀表放大器。 電流檢測放大器與儀表放大器 電流檢測放大器檢測跨接在其差分輸入端的精密“檢流電阻”的電壓，該電阻所處位置的電位高于系統(tǒng)其它電路。放大器輸入為差分電壓，輸出為單端信號(hào)并與差分輸入精確地成正比關(guān)系，該信號(hào)以系統(tǒng)地為參考。 對于給定電流，考慮到檢流放大器的精密增益，在檢流電阻上只需很小的壓差，即可產(chǎn)生相應(yīng)的輸出測量電壓，從而減輕了電源線上的檢流功耗。由此可見，檢流放大器符合電壓型儀表放大器的基本定義：精密的差分放大器。 檢流放大器與儀表放大器的主要差別在于儀表放大器通常工作在以輸入電壓為橫軸、共模電壓為縱軸的四象限(正負(fù)輸入信號(hào)-正負(fù)共模電壓)，相比之下，標(biāo)準(zhǔn)的電流檢測放大器只工作在一個(gè)象限(正信號(hào)電壓-正共模電壓)，有些檢流放大器工作在兩象限(正負(fù)輸入電壓-正共模電壓)。對電流檢測放大器而言，輸入電壓的正負(fù)由所測電流的極性決定，此外，電流檢測放大器的共模電壓范圍更寬。 在電源轉(zhuǎn)換器中的應(yīng)用 電流檢測放大器的優(yōu)點(diǎn)在于能夠精確放大信號(hào)，因此，它不僅可以檢測電流，也可以把信號(hào)從高壓上分離出來，圖1所示標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用(-48V-+5V電源變換器，共地)，展示了目前電流檢測放大器的工作。 
圖1：簡單電源轉(zhuǎn)換器，從-48V產(chǎn)生+5V(或+3.3V)電源 就概念而言，設(shè)計(jì)一個(gè)輸入電壓和輸出電壓極性相反的開關(guān)型電源轉(zhuǎn)換器并不難，不過，考慮到工程細(xì)節(jié)，電路拓?fù)涞倪x擇就比較困難。對于工作在正電源的變換器，輸出電壓與反饋電壓的參考電平相同，都是電源的負(fù)端，此處為正電源變換器拓?fù)涠x的-48V。 對于輸出正壓必須與輸入電壓共地的應(yīng)用，-48V的參考點(diǎn)與應(yīng)用要求發(fā)生沖突。隔離型拓?fù)?如反激、正激)的輸入電壓和輸出電壓相互隔離，其參考點(diǎn)不同，故可滿足此類應(yīng)用，盡管成本較高，電路復(fù)雜，仍被廣泛使用。圖1所示標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)型穩(wěn)壓器采用非隔離拓?fù)洌o出了一種更簡單的方案。傳統(tǒng)方案中，采用變壓器/光耦對輸出信號(hào)進(jìn)行隔離、電平轉(zhuǎn)換，反饋到轉(zhuǎn)換器的調(diào)整點(diǎn)；本文介紹的方案則采用電流檢測放大器(MAX4080F)，電源轉(zhuǎn)換器IC是MAX668，當(dāng)然也可以使用其它升壓型變換器。 MAX668升壓型變換器的反饋端(FB)設(shè)置點(diǎn)為1.25V，MAX4080F在其輸出電壓(OUT與GND之間)與差分輸入電壓之間提供5倍增益。對應(yīng)于1.25V FB電壓的差分輸入為：1.25/5 = 0.25V。當(dāng)系統(tǒng)工作在穩(wěn)壓狀態(tài)時(shí)，連接在+5V輸出與地(公共端)之間的電阻分壓器在MAX4080F的差分輸入端產(chǎn)生0.25V電壓。 圖2給出了輸出為+5V或+3.3V，1A恒定負(fù)載時(shí)，電路的電壓調(diào)整率。圖3為兩種輸出電壓下的負(fù)載電流與效率關(guān)系圖。MAX4080輸入壓差和對地電壓最大達(dá)75V，其CMRR(共模抑制比)為120dB。
圖2： 圖1電路的輸出-輸入關(guān)系曲線：1A恒定負(fù)載；隨著輸入電壓的升高，+5V或+3.3V輸出保持較好的調(diào)整率
圖3：圖1所示電路的效率 - 負(fù)載電流關(guān)系圖 為什么從-48V產(chǎn)生低壓正電源？ 過去，為了保護(hù)電話線被電蝕，第一代電話交換系統(tǒng)采用了“中央電池”供電方式，相對于大地極性為負(fù)，并且，為了保證這些系統(tǒng)中所用的繼電器具有良好的低噪聲連接，其電源電壓(-48V)比其它大多數(shù)電池供電系統(tǒng)要高。 但是，從六十年代初期開始，電子系統(tǒng)則向著另一方向迅速發(fā)展，即NPN雙極型晶體三極管成為主流的有源器件，受此影響，幾乎所有模擬和數(shù)字系統(tǒng)的電源都是以地為參考點(diǎn)，采用正壓供電。 由于目前大部分電信電源采用分布式供電，與早期一樣，其主電源仍采用-48V輸入，并配有很大的后備電池；另一方面，現(xiàn)代電信系統(tǒng)都為電子設(shè)備，需要使用低壓正電源供電，因而，從-48V產(chǎn)生低壓正電源成為一種通用需求。 結(jié)語 由上述可知，電流檢測放大器與儀表放大器的部分關(guān)鍵特性相同，某些應(yīng)用中可以利用廉價(jià)的電流檢測放大器代替昂貴的儀表放大器。本文介紹了一個(gè)替代案例，由電流檢測放大器(MAX4080F)和升壓型轉(zhuǎn)換器IC (MAX668)構(gòu)成。電流檢測放大器可以精確地放大信號(hào)，并將信號(hào)從高壓上分離出來，不僅實(shí)現(xiàn)了電流檢測，而且也可支持以地為參考的-48V至+5V轉(zhuǎn)換，這一應(yīng)用在電信系統(tǒng)中非常普遍。 |
