利用精密仪表放大器实现负压电流检测

监测正电源的电流时，通常使用高边检流放大器。然而，对于ISDN、电信电源，通常需要一个工作在负电源的检流放大器。本文介绍了一种采用MAX4460单电源仪表放大器设计负压检流放大器的方法。

图1所示电路提供了一种负电源电流检测的原理框图，利用MAX4460或MAX4208仪表放大器，配合一些分立元件实现。
齐纳二极管D1在保证仪表放大器具有足够的供电电压的前提下为其提供过压保护。被监测电流通过检流电阻RSENSE流入负电源。仪表放大器必需采用单电源供电并具有地电位检测能力。

MAX4460的输出提供MOSFET M1的栅极驱动，负反馈环路确保电阻R3两端的电压等于RSENSE两端的电压VSENSE。相应地，由R3建立与负载电流成正比的电流：

IOUT = (ILOAD × RSENSE)/R3 = VSENSE/R3 (1)

R2的选择需保证输出电压在后级电路(通常是ADC)所要求的电压范围内。漏源击穿电压需要高于两个电源电压的和(这里为+125V)。如果ADC不是高阻输入，则在输出VOUT端需要加一个额外的缓冲放大器。如果在故障情况下，检测电流上升到额定值以上，输入电压变成负值。二极管D2可以将输出端的负压限制到一个二极管的压降，为后级ADC提供保护。

上述设计可以很容易地用于高压、负电源的电流检测。选择-120V作为负电源，按照以下步骤设计，即可获得不同电源电压下的电流检测放大器。

给齐纳管提供一个偏压，使其工作在传输特性上动态电阻较低的工作点(例如，在其进入反向击穿的区域)，这样可以消除PSRR误差。齐纳电压在靠近击穿电压的位置不是很稳定。通常将偏置点设置在额定功率规定的最大电流的25%。这个偏置点具有较低的动态电阻，而且不会消耗很大功率。按照下式选择电阻R1，使电路工作在所要求的偏置点。

IR1 = ( VCC + |VNEG| - VZ )/R1 = IS + IZ (2)

其中：VCC是正电源电压，VZ是齐纳管稳定电压，|VNEG|是负电源电压绝对值，IS是MAX4460的电源电流，IZ是流过齐纳管的电流。

R1必须具有适当的额定功率，能够承受两端的高压。也可以利用串、并组合降低对电阻额定功率得要求。

选择N沟道MOSFET或JFET时，需保证漏源之间的额定击穿电压大于|VNEG| + VCC。这一点对于负压较高的情况非常重要。

选择RSENSE时，需保证满量程电压，RSENSE两端的检测电压，小于等于100mV。

R3的选择比较灵活，主要受以下2个条件的影响：

(1)R3减小时，从式1可以看出，对于固定增益，功耗将增大。

(2)FET的热噪声和漏电流决定了选择R3的上限。

选择R2和R3的电阻比等于检流放大器的电压增益，输出电压为：

VOUT = VCC - IOUT × R2 (3)

从式1和式3可以得到：

VOUT=VCC-(VSENSE×R2/R3)

对于VSENSE：

电压增益，Av = -R2/R3 (4)

负号表示输出电压与输入检测电压是反相关系。从式4可以求解得出R2。

图4给出了输出电压与检测电压的对应关系。以下典型参数用于检流放大器的推导：

输入失调电压 = (5 - 4.9831)/49.942= 338mV

增益= -49.942

本文介绍了用精密仪表放大器MAX4460实现负电源电流检测的方案。可以根据上述设计步骤重新设计电路，用于监测不同的负压电源。

参考文献

1. Maxim Integrated Products, Application Note 746, “High-Side Current-Sense Measurement: Circuits and Principles,” March 26, 2001.

2. Ken Yang, “Precision Circuit Monitors Negative Supply Current,” Power Electronics Technology, September 1, 2005, p-78.

3. Huijsing; Johan Hendrik (Schipluiden, NL), Shahi; Behzad (San Jose, CA), “GM-controlled current-isolated indirect-feedback instrumentation amplifier,” U. 　　　S. Patent 6,559,720, October 26, 2001.

4. Maxim Integrated Products, Application Note 4034, “Three is a crowd for Instrumentation Amplifiers,” April 12, 2007