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标题:
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
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作者:
Taio
时间:
2019-7-2 07:00
标题:
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
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
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前言
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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。
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电路示意图及原理简介
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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。
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图1：典型应用
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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。
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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。
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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)。
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f. |0 V( u [6 X
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。
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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:
4 i) Z& Q& b; l' i5 _' K
; \# [* \! e5 ~4 x) a' i% y; K
Vo=VsenseR1R4R3.(R1+R2+R3) (1)
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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。
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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。
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+ `$ ?+ O; i3 R( z7 R0 ^: |
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。
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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。
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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。
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4 M: I2 R4 M4 U* @+ q: v0 G
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:
; y9 M. i! ~6 `) M
0 o5 `& L! ~" x1 M9 P
|Vgs max|<Vzener-R3.R1+R2R4.R1+R2+R3.Vo_max (2)
( R- y$ _3 o7 t \. `$ o
·其中Vgmax是使电流Idmax=Vo_maxR4 进入晶体管所需的Vgs电压，且
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; b$ [8 T& H2 I0 M: O, R8 I
·Vzener=Vcc_H - Vcc_L
$ C. ?2 N0 p) B0 O4 h: r
2 b5 u3 T7 R F& `1 {+ ~
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。
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# N# q e" L- I
误差分析
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电阻不匹配对测量精度的影响
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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。
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* J+ Q8 r/ S( O" r" g$ E
用下面的公式可以得出因电阻不匹配而造成的增益误差：
2 g9 Y% i6 n1 Q
4 P; x5 c3 R' \% o5 r. M# ]
V0=Isense*RshuntR1.R4R3.R1+R2+R3.[1+2R1+4R2+2R3R1+R2+R3.+ (3)
* B) D" F1 V5 ]
: R; W$ V2 w4 c# b2 ^' A
·其中 是电阻的精度，εRshunt是分流器的精度。
: Q n7 @) s8 {( o+ }5 {% |
" W$ H; p) o) J; Q: m7 o- E
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。
; a8 E Y, d* A* q9 G- ?% H9 i
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Vio对精度的影响
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$ S: C+ w' D* d" ^2 u% @
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。
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+ s) A: C- A2 e/ S. ~
考虑到传递函数，Vio可以表示成:
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4 C! o9 P: U& F8 R$ G
Vout=Vsense±Vio1R1.R4R3.R1+R2+R3±Vio2 (4)
. v/ \; _( K# `$ a9 M% @ _
8 r+ M; @% `# @8 y: |
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。
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总误差
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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:
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$ y$ [ L& ~6 a$ M2 }* u- J- U
Vo=(Isense*Rshunt)R1.R4R3.R1+R2+R3.1+2R1+4R2+2R3R1+R2+R3.+±VioR1.R4R3.R1+R2+R3 (5)
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0 _( T" K7 N, Z) e; T+ P5 D
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。
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图2：总误差，假设电阻精度为1%
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) H1 r! z I9 ]* u4 L
图3: 总误差， 假设电阻精度为0.1%
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Rshunt精度为 1%
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* u7 |" d4 d* c+ V4 u3 |
结论
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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。
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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。
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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。
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作者:
ulppknot
时间:
2019-7-2 17:55
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