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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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4 G# ]7 `& G2 T5 \前言
# o5 }3 b2 W. G. l; a4 O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。% M2 C. [( q* o# \/ A4 j+ l9 [
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电路示意图及原理简介
2 R4 L/ x0 T, h3 y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。; g/ g3 G2 t+ f7 N9 r" Q
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图1：典型应用( o$ p+ {3 s8 r" K6 P2 q% A" b Y9 J( L
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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。! y* }- J6 L* j
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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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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。# g3 x# |* k1 p# V5 W" b- C
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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:) K9 t# i) P7 `' H
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Vo=VsenseR1R4R3.(R1+R2+R3) (1): R4 r/ {. |: i9 b* [# o" C9 G* U
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。5 q! `$ K- f0 J9 P2 R
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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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' R" \4 M, N: Q! E# ?/ L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。, r/ K& _4 K+ E! S* J8 `! H
! a$ _. q9 Q1 {- |& ~. c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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* i2 {# C5 k" A- _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:/ l5 g6 w: c7 W3 D4 x2 y
( u1 R2 d( m) N; p7 O2 A|Vgs max|<Vzener-R3.R1+R2R4.R1+R2+R3.Vo_max (2); s: F7 X- Q3 J
·其中Vgmax是使电流Idmax=Vo_maxR4 进入晶体管所需的Vgs电压，且 4 r+ j/ t: {: ]5 x f3 V F
% M) C" _+ M2 Z4 K, F% b1 A·Vzener=Vcc_H - Vcc_L
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I- R; {/ H3 U. u) ^0 b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。7 h8 o6 P' ]0 h& S, o( t' G
- Z& w, H+ U, U2 H8 K误差分析1 V) E6 {# z0 B/ }9 F: ]
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。0 \4 [9 W0 V# t# P. W
6 l5 z" o+ @0 E7 @8 S
用下面的公式可以得出因电阻不匹配而造成的增益误差：
/ ~' t; c Y, w- [# e, R0 M6 \: W
2 N8 p* B! S8 D- a2 lV0=Isense*RshuntR1.R4R3.R1+R2+R3.[1+2R1+4R2+2R3R1+R2+R3.+ (3)
* m2 n! i' d3 I" D1 E3 p1 |+ ~- j# O4 s/ @+ d. x% z! B" ]- I
·其中 是电阻的精度，εRshunt是分流器的精度。
& b6 \% p8 H. x- l* P l
2 y7 ~. }# @* F8 f% L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。
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Vio对精度的影响
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& @4 ~/ D6 N' o* K$ c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。/ K1 V H8 I. m; q9 _: }5 ?- ]" g& `& q
! @. I2 d" r2 z G& S m
考虑到传递函数，Vio可以表示成:: V- P+ S5 x$ v- F: n
x" l% D& u1 X/ hVout=Vsense±Vio1R1.R4R3.R1+R2+R3±Vio2 (4)0 m, ^; G! G: t+ a3 K! @
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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
+ b$ p7 ~7 }3 f. i! R! @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:
5 ]1 m0 z$ [! O% i* U- |( t g3 i
4 v% f3 U4 Q( z8 r$ d7 E: c" WVo=(Isense*Rshunt)R1.R4R3.R1+R2+R3.1+2R1+4R2+2R3R1+R2+R3.+±VioR1.R4R3.R1+R2+R3 (5)
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l( r5 }& L$ P9 R" A4 F N. o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。6 C# z! w' c% @
3 V" G$ ^1 w }1 G# g7 @6 n
![]()
0 W4 a u, L' ]( f& t! A9 d. D2 I图2：总误差，假设电阻精度为1% ' \# E# R; I5 i5 q: t! z4 c6 s
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图3: 总误差， 假设电阻精度为0.1%
2 e1 F5 E( x9 G! Q/ c3 x6 eRshunt精度为 1%
O; k }* T: A7 Q( Q
, f% @* g4 N+ x$ B. w& D% l结论
- e4 F+ ~' ~ _0 |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。 ?+ C! S' B# n7 r
; E2 n1 H% V$ E9 }
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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8 N+ L7 v" m/ R2 w; d) [$ ]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。/ H3 F9 k( M) D. v b1 }1 s$ E- v7 B
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发表于 2019-7-2 07:00
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