如何在高压上桥臂电流检测中发挥低压高精度运放的性能

Taio

如何在高压上桥臂电流检测中发挥低压高精度运放的性能

+ Z4 W* j2 c* T1 X1 B( e' y
前言
上桥臂电流检测通常采用支持扩展共模电压的专用器件，但是专用器件也有自身的限制，例如，当共模电压高于100V时，专用运放还能精确地测量电流吗？传统5V运放似乎完全不适用这种测量。但是，在增加几个外部器件后，我们将会发现，低压运放完全可以精确地测量上桥臂电流，而且没有任何共模电压限制。
% v4 N. z& ]  L8 [) q, I4 }
电路示意图及原理简介
& p" a0 s: s; Q本文所讨论的应用设计是测量150V工业电机控制器的电流。如图1所示，为能够精确地测量很小的电流值，我们使用了一个分流器配合一个高精度5V运放。

1 D. V( R! ~( E! Y! w+ k" R
" t  K: l9 p% C: `图1：典型应用
% Z* Q% V# E. J1 r0 f0 W( U( q2 ?
$ p' {, ^/ l( [1 |8 g' K9 }难道150V输入电压不会烧毁运放吗？如果V1电压是用于给第一级运放OP_A提供正电压(Vcc_H)，就不会发生这种情况。

如果连接一个击穿电压为4.7V的齐纳二极管，则会为第一级运放OP_A生成负电压 (Vcc_L)。这样，OP_A的电源电压是4.7V，是Vcc_L=145.3V与 Vcc_H=150V的差值。

" J( w3 y9 f: M) T5 n- U0 S电阻Rz为齐纳二极管提供偏置电流(~5mA)，并为运放的偏置电流提供回路(~40μA)。

Vsense是电流经过电阻Rsense时产生的电压，被电阻R1、R2、R3和R4放大。
- k* f5 r' l! P
P-MOSFET(BSP2220)输出高精度电流，与流经Rsense的电流成正比；该电流经过R4电阻时生成对地电压Vo，与上桥臂电流成正比。第一级的输出电压可由下面的方程式1得出:

Vo=VsenseR1R4R3.(R1+R2+R3)           (1)
& @7 W% h$ i5 p/ D+ U$ \: I0 Y0 x第二级运放OP_B用于抑制Vo电压。在加装电阻R5后，当启动阶段有大电流经过输入引脚时，可以保护OP_B的内部ESD二极管。
, I2 V3 L# s$ P6 t
电机控制电路消耗的最大电流是100A。因此，使用一个100μΩ分流器时，Vsense最大值为10mV。最大输出电压取决于Vsense电压和R4上的最终输出电流。因为由微控制器的ADC来处理，所以最大输出电压Vo必须高于3.3V。

& T% W9 Z* Z+ i+ d- n+ S为确保系统正常工作，必须仔细选择这些器件参数。为了使OP_A输出不饱和，在选择参数时必须保证|Vgs|电压值很小。

6 B) c2 T1 k# k3 o2 }( V因为Ids保持低电流有助于实现这个目标，所以我们选择一个高电阻的R4。

* q6 n) Y, f2 ^5 j. |  @3 E为避免运放输出饱和，第一级运放OP_A的增益由R2/R1比确定，不应该过高。
8 A9 E" {- P" ?) U* I' O% D
在选择器件参数时，我们不得不折衷考虑，必须遵守方程式2:

|Vgs max|<Vzener-R3.R1+R2R4.R1+R2+R3.Vo_max           (2)
# f2 k1 @+ a& H) X5 z·其中Vgmax是使电流Idmax=Vo_maxR4  进入晶体管所需的Vgs电压，且         

·Vzener=Vcc_H - Vcc_L
0 P# K3 F* {# D6 x0 D2 C4 n" `
现在我们看一下这个系统的精度问题。导致放大器精度差的主要原因是电阻不匹配和失调电压。

: C& i, E2 N, I) j2 ~& V5 I误差分析
  \0 h  ~+ I6 R电阻不匹配对测量精度的影响

  x% u& T% A$ [4 G( W/ j假设所用电阻完美匹配，通过方程式1可以得出输出电压。不幸地是，实际情况并不是这样，因为电阻本身也有自己的精度。
5 B  {# p5 x- R( }% {
用下面的公式可以得出因电阻不匹配而造成的增益误差：
! ?3 c; M& Z  m9 X1 T
V0=Isense*RshuntR1.R4R3.R1+R2+R3.[1+2R1+4R2+2R3R1+R2+R3.+           (3)
( c0 R1 t  _0 h& [+ G
·其中 是电阻的精度，εRshunt是分流器的精度。
' S( w! z3 r9 E  _8 Z! e0 T& Y& i
从方程式3不难看出，R2电阻对误差的影响最大，所以该电阻器必须选择阻值尽可能小(10kΩ)的电阻。注意，R1和R3的阻值之和应该高且均衡，只有这样才能取得理想增益，因为理论上R1阻值小能够抑制噪声。

" B' O% @1 ]2 g& ]) @Vio对精度的影响

输入失调电压是必须考虑另一个误差，在上面的应用中，我们选择了一个斩波放大器TSZ121，因为这款产品的Vio电压极低，在工作温度范围内仅8μV。特别是测量特别小的电流时，这个误差非常突出。

考虑到传递函数，Vio可以表示成:
; i  o- u1 D3 Q$ ]0 C+ B
3 U7 p7 o& O2 u; P2 k3 _% WVout=Vsense±Vio1R1.R4R3.R1+R2+R3±Vio2 (4)
" u% }" P* n8 \; j. ]1 u
2 I  _4 ^( {" h! V5 S其中Vio1是第一级运放(OP_A)的输入失调电压，Vio2是第二级运放(OP1_ B)的输入失调电压。因为TSZ121的输入失调电压极低，所以Vio2可以忽略不计。
& T9 {" x& D# _/ r$ L
5 ~9 z3 N. }( N# Y+ C总误差
* A3 R! I' x/ G* T为了弄清输出总误差，我们必须把电阻不匹配和运放失调考虑进去。最终，输出电压可以表示为方程式5:

Vo=(Isense*Rshunt)R1.R4R3.R1+R2+R3.1+2R1+4R2+2R3R1+R2+R3.+±VioR1.R4R3.R1+R2+R3           (5)
$ g3 n* R0 F8 ?3 _
图2和图3表示在工作温度范围内可能出现的最大误差，考虑到了分流器的精度。


8 W* z, ?6 |& z7 X图2：总误差，假设电阻精度为1%                     
: J* O3 E; G& o  B3 V) S4 M
5 X, f  ^4 O. Z  G$ D7 ?
图3: 总误差， 假设电阻精度为0.1%           
$ ^8 A/ S. x( aRshunt精度为 1%

结论
专用放大器通常用于上桥臂电流检测，但是在共模电压高于70V的应用中，应该改用传统的5V运放。
, B; X, T( q0 y8 `/ w* V
1 y* t* y; X2 E5 w) Q6 n上桥臂电流的检测可以使用高精度运放如TSZ121放大器，为了工作在5V电平转换电路内，需要一个齐纳二极管配合放大器。

' d+ i# P: P: [我们考虑到了电阻和放大器引起的某些误差。为取得良好的电流测量精度，我们建议使用0.1%精度电阻。

ulppknot

分享是美德