简述电流传感放大器MAX471/MAX472的原理及应用

 

　　伴随着城市人口和建设规模的扩大，各种用电设备的增多，用电量越来越大，城市的供电设备经常超负荷运转，用电环境变得越来越恶劣，对电源的"考验"越来越严重。据统计，每天，用电设备都要遭受120次左右各种的电源问题的侵扰，电子设备故障的60%来自电源[7].因此，电源问题的重要性日益凸显出来。原先作为配角，资金投入较少的电源越来越受到厂商和研究人员的重视，电源技术遂发展成为一门崭新的技术。实际需求直接推动电源技术不断发展和进步，为了自动检测和显示电流，并在过流、过压等危害情况发生时具有自动保护功能和更的智能控制，具有传感检测、传感采样、传感保护的电源技术渐成趋势，检测电流或电压的传感器便应运而生并在我国开始受到广大电源设计者的青睐。

　　MAX471/MAX472 是美国MAXIM 公司生产的双向、精密电流传感放大器。MAX471 内置 35mΩ 精密传感电阻，可测量电流的上下限为±3A.对于允许较大电流的场合，则可选用 MAX472.在这种情况下，用户可根据自己的需要配置外接的传感电阻与增益电阻。MAX471/MAX472 都可通过一个输出电阻将电流输出转化为对地电压输出。 MAX471/MAX472 所需的供电电压 VBR/VCC 为 3~36V,所能跟踪的电流的变化频率可达到 130kHz.MAX471/MAX472可广泛应用于电流供电系统、便携式设备、监控系统及能源管理系统等。

　　1 引脚说明

　　MAX471引脚图如图1所示，MAX472引脚图如图2所示。

 

　　各引脚功能说明如下：

　　SHDN为关闭信号，正常操作时接地；当它为高电平时，供电电流小于5μA.

　　RS+为内传感电阻的电源端。

　　N.C.表示无内部连接。

　　RG1为增益电阻的连接端，增益电阻RG1连接到传感电阻的电源端。

　　GND为地端或电源负端。

　　SIGN为集电极开路逻辑输出。对于MAX471,SIGN为低电平表示电流由RS-流向RS+;对于MAX472,SIGN为低电平表示Vsense（传感电阻两端的电压）为负。当SIGN为高电平时，SIGN呈高阻状态。

　　RS-为内传感电阻的负载端。

　　RG2为增益电阻的连接端，增益电阻RG2连接到传感电阻的负载端。

　　VCC为MAX472的正电源连接端。连接传感电阻与增益电阻。

　　OUT为电流输出端，该电流的大小正比于流过传感电阻的电流。

　　2 工作原理

　　MAX471的功能框图如图3所示，MAX472的功能框图如图4所示。

 

　　MAX471和MAX472电流传感放大器的独特布局大大简化了电流监控的设计。MAX471/MAX472包含两个放大器，如图3和图4所示。传感电流Isense通过传感电阻Rsense从RS+流向RS-（反之亦然）。输出电流Iout流过RG1和Q1还是RG2和Q2取决于传感电阻中电流的方向。内部电路（图中没有画出来）不允许Q1和Q2同时打开。MAX472除了传感电阻Rsense、增益电阻RG1和RG2外置外，其它用法和MAX471是一样的。

　　以图3为例，若传感电流Isense从RS+经精密传感电阻Rsense流向RS-,输出端OUT通过输出电阻Rout接地（GND）。此时，Q2断开，放大器A1工作，输出电流Iout从Q1的发射极流出。由于没有电流流过RG2,A1的反向输入端的电位就等于Rsense和RG2交点的电位；因A1的开环增益很大，其正向输入端与反向输入端基本上保持同一电位。所以，A1的正向输入端的电位也近似等于Rsense和RG2交点的电位。因此，传感电流Isense流过Rsense所产生的压降就等于输出电流Iout流过RG1所产生的压降，即

　　Iout×RG1=Isense×Rsense

　　所以Iout=（Isense×Rsense）/RG1

　　Vout=（Iout×Rout）=（Isense×Rsense×Rout）/RG1

　　同理，若传感电流Isense从RS-经传感电阻Rsense流向RS+,则可得

　　Vout=（Isense×Rsense×Rout）/RG2

　　综合上述两种情况，可得MAX471/MAX472输出电压方程

　　Vout=（Isense×Rsense×Rout）/RG

　　其中 Vout--期望的实际输出电压

　　Isense--所传感的实际电流

　　Rsense--精密传感电阻

　　Rout--输出调压电阻

　　RG--增益电阻（RG=RG1=RG2）

　　对于MAX471,所设定的电流增益为：Rsense/RG=500×10-6,Vout=500×10-6×Isense×Rout.

　　当输出电阻Rout=2kΩ时，在传感电流Isense允许变化范围（-3A≤Isense≤3A）内，输出电压Vout的变化范围为：-3V≤Vout≤3V, 即满标电压值为3V.

　　特定的满标范围所对应的输出调压电阻Rout为：

　　Rout=（Vout×RG）/（Isense×Rsense）

　　对于MAX×471,Rout=Vout/Isense×500×10-6

　　但要注意，变化Rout时，须保证MAX471输出电压的上限值不能超过VRS+-1.5V;对于MAX472,其输出电压的的上限值不超过VCC-1.5V.

　　MAX471/MAX472对瞬变电流的响应非常快，若要减弱由于噪声在输出端产生的干扰，可在输出调压电阻的两端并联一个1μF电容（也可根据实验确定）进行旁路。这一电容的引入不会影响到MAX471/MAX472的使用性能。

　　3 应用实例

　　我们在设计斩波恒流细分步进电机驱动器时，需要对绕组电流进行检测，传统的方式是通过电流互感器、霍尔元件或检测电阻来实现的。由于检测电阻价格便宜、使用简单，因此应用比较广泛。但这种传统检测电阻的弊端是很明显的，一方面其阻值难以做的很小，影响到步进电机绕组电流上升前沿的陡度，且三相间难于匹配；另一方面，所得到的电流检测信号（电压信号）通过放大以后才能进入步进电机前级驱动电路的比较器，从而增加了电路设计调试时的复杂度。因此，有必要选用精密电流传感元器件来取代传统的检测电阻。

　　由于我们所设计的驱动器主要用来驱动75BF3型步进电机，而该电机的额定电压、额定电流分别为27V、3A ,故选用MAX471便可达到设计要求。该部分的电路如图5所示。图中所用其它元器件及符号说明如下：

　　Eg--步进电机相绕组供电电压

　　L--步进电机A相绕组

　　R--泄放回路电阻

　　D--快恢复二极管

　　VT--功率开关管通断控制信号

　　图6为75BF3步进电机在单三拍运行方式下，运行频率为2000pps时， 所得A相绕组的相控信号及电流传感器输出电压波形。

　　实验表明，以电流传感放大器件MAX471代替传统的取样电阻，不仅大大简化了电路的设计调试，节省了电路板空间；同时所得取样电压波形好，驱动器性能优越。

　　电流传感放大器MAX471/MAX472的应用非常广泛，以上仅是其中一个实例。