摘要：本應用筆記介紹了電流檢測放大器與光耦的配合使用，能夠將工作電壓擴展至1,000V，非常適合高壓應用。電路利用光耦的隔離屏障分割1,000V系統的高端和地端。運算放大器用于消除光電二極管的非線性和溫漂，提供精確的、與1kV負載成比例的輸出電壓。?

通常，在高壓端檢測直流電流非常困難。大多數商用化的高端電流檢測IC能夠很好地工作在30V或40V，新推出的器件(例如：MAX4080/4081)能夠檢測高達76V的電源。如果需要工作在更高的電壓下，則可利用檢流放大器與光耦相配合的方式。高壓受限于光耦能夠承受的隔離電壓(圖1)。


圖1. 以地為參考的輸出電壓V_OUT?= I_SHUNT?(4.80V/A)，正比于高端負載電流。當前配置下，電路可測量高達1A的負載電流。

一個精密的高端電流檢測放大器(U1)和一個高線性度模擬光電耦合器(U3)能夠將高端工作電壓擴展至1000VDC。U3能夠承受連續的1000VDC。它的UL電壓可達5000V_RMS，持續時間1分鐘；瞬態浪涌電壓可達8000VDC，持續時間10秒(高壓工作時需要注意各種安全事項)。

電路包含一個浮地單元和一個接地單元，每個單元都需要一個本地的低壓電源。浮地單元檢測負載電流，并驅動光耦的高壓側。接地單元監測光耦的低壓側，輸出一個正比于高端負載電流的電壓。所選用的光耦在高壓側有一個用于反饋的光敏二極管，從根本上消除了LED的非線性和溫漂。另外，兩個光敏二極管的嚴格匹配保證了信號在穿過隔離層時傳輸函數保持良好的線性。

工作期間，負載電流流經檢流電阻R1產生一個小電壓。這個電壓經過U1檢測，產生一個成正比(10mA/V)的電流輸出。這個正比輸出電流流經R2，產生正比于主負載電流的電壓。電路的其余部分用來產生了R2兩端電壓的“拷貝”，只不過是轉換到了光耦的低壓側。U2檢測R2兩端的電壓，并通過Q1驅動光耦的LED。LED發出的光等量地照在高端和低端光敏二極管上。U4檢測低端光敏二極管并輸出一個正比于高端負載電流的電壓。圖中的曲線顯示了輸出電壓和檢測電流的函數關系(圖2)。


圖2. 在圖1設計中，輸出電壓和檢測電流成線性關系。

如果R3和R5取值相等，則整個傳輸函數為：



通過修改三個參數，可以調整電路能夠檢測的最大負載電流和輸出電壓范圍。U1的最大輸出電流為1.5mA，所以最大允許的檢測電壓為150mV。另外，最大允許的光敏二極管電流為50μA。選擇R1的阻值，使其兩端的電壓在流過最大負載電流時產生150mV的壓降。然后，選擇一個適當的R2阻值，使其流過1.5mA電流時產生期望得到的最大輸出電壓。選擇匹配的R3和R5，取值應保證在最大輸出電壓時流過光敏二極管的電流低于50μA：

R3 ≥ (V_{OUT_MAX})/(50 × 10^-6)?

電路的輸出部分忠實地還原了R2兩端的電壓。選擇MAX4162運放是由于其極低的輸入偏置電流(1pA)、滿擺幅輸入和輸出、以及能夠工作在9V電池的單電源電壓。如果按圖中所示取R1 = 150mΩ和R2 = 3.32kΩ，當檢測電流I_SHUNT?= 1A時，采用上述傳輸函數計算，輸出電壓為4.80V。實驗結果為I_SHUNT?= 1.00A時V_OUT?= 4.84V，誤差小于1%。

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