电流传感放大器MAX471/MAX472的原理及应用

 　　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V_BR/V_CC为3～36V，所能跟踪的电流的变化频率可达到130kHz。二者均采用8脚封装。
　　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V_sense(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。
　　V_CC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I_sense通过传感电阻R_sense从RS+流向RS－(反之亦然)。输出电流I_out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R_sense、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I_sense从RS+经精密传感电阻R_sense流向RS－，输出端OUT通过输出电阻R_out接地(GND)。此时，Q2断开，放大器A1工作，输出电流I_out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R_sense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R_sense和RG2交点的电位。因此，传感电流I_sense流过R_sense所产生的压降就等于输出电流I_out流过RG1所产生的压降，即
　　I_out×RG1＝I_sense×R_sense
　　所以I_out＝(I_sense×R_sense)/RG1
　　V_out＝(I_out×R_out)＝(I_sense×R_sense×R_out)/RG1
　　同理，若传感电流I_sense从RS－经传感电阻R_sense流向RS+，则可得
　　V_out＝(I_sense×R_sense×R_out)/RG2
　　综合上述两种情况，可得MAX471/MAX472输出电压方程
　　 V_out＝(I_sense×R_sense×R_out)/RG
　　其中 V_out——期望的实际输出电压
　　I_sense——所传感的实际电流
　　R_sense——精密传感电阻
　　R_out——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：R_sense/RG＝500×10^－6，V_out＝500×10^－6×I_sense×R_out。
　　当输出电阻R_out＝2kΩ时，在传感电流I_sense允许变化范围(－3A≤I_sense≤3A)内，输出电压V_out的变化范围为：－3V≤V_out≤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R_out为：
　　R_out＝(V_out×RG)/(I_sense×R_sense)
　　对于MAX×471，R_out＝V_out/I_sense×500×10^－6
　　但要注意，变化R_out时，须保证MAX471输出电压的上限值不能超过V_RS+－1.5V；对于MAX472，其输出电压的的上限值不超过V_CC－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，且三相间难于精确匹配；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：
　　E_g——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
　　V_T——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。
参考文献
1 王鸿钰. 步进电动机控制技术入门. 上海:同济大学出版社, 1990
2 MAXIM Corp. MAXIM DATA SHEETS 数据光盘手册, 1998