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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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前言1 }0 L9 }. E0 J/ o; n- R- j
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
6 Z" C' a: c- l! R+ E7 |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。
. v/ Y/ v4 Z- m+ o: W/ z" `1 ]1 Y
3 Z, j* j, b# ?) P A: H1 u! e" U![]() 7 A" e X/ W/ I4 c# Q
图1：典型应用3 A3 @8 i% R. |- a6 d
- l+ y! w X( Y0 ^' F8 {9 @3 }
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。; m8 [7 p6 W2 k2 j4 Y
" z0 `3 ?# g( }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)。1 }' P4 Z5 s/ P8 m+ i( ~
6 X$ d/ i/ A o. c* wVsense是电流经过电阻Rsense时产生的电压，被电阻R1、R2、R3和R4放大。) |1 J% t' k+ R7 I7 m
4 p! K5 `9 n7 S. T, u# RP-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:9 u$ r- R7 ^% H7 Z$ f! x/ I1 Z, U4 _8 V
9 y6 ~3 f# M& k+ @3 `
Vo=VsenseR1R4R3.(R1+R2+R3) (1)
, u- X& U8 y$ r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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; h/ ]! q# l, t, a- o# s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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8 h2 n7 F4 `' _$ w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。/ D. u {: K' i
* D( G" `. t- @ K3 w% }8 B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。
' P0 ~, s0 V' X1 b q
7 b2 P9 E+ {8 B1 q6 b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。
4 _: ^8 _" [+ i! h" w' k9 v
- ]2 w: Y" Q, q# m' y/ m% y5 ]. k ~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:" T! N9 N4 }! L4 K
+ s1 z4 G. F& A8 W) v6 F) \) B/ o|Vgs max|<Vzener-R3.R1+R2R4.R1+R2+R3.Vo_max (2)
( W1 r1 {3 A: \! G& k9 y·其中Vgmax是使电流Idmax=Vo_maxR4 进入晶体管所需的Vgs电压，且 % }$ H* ]$ l" B/ H$ F
5 w: [4 s; X; y% @4 o# b·Vzener=Vcc_H - Vcc_L
q0 a8 q! b3 n( m) y
: ^6 f3 l- C8 L5 y9 W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。/ T, U+ t" K8 L2 T: ]5 i/ S
; m( @ o& i/ U+ \误差分析
% A# {0 I' x. I/ R: f. L/ z电阻不匹配对测量精度的影响- s/ Y; e# n: m" S- Q
3 |+ X1 u9 W* _0 z% I1 Q6 E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。& @. S. X! V l, h# [3 d: z
7 }6 m2 d Q5 w用下面的公式可以得出因电阻不匹配而造成的增益误差：
; Y0 M/ l2 w1 C7 |( t, b' k- {
5 k0 M1 K/ Q# e9 l* t3 Q+ F* s5 E UV0=Isense*RshuntR1.R4R3.R1+R2+R3.[1+2R1+4R2+2R3R1+R2+R3.+ (3)
+ L4 X1 B3 s ~( [ X$ d
% {5 p# L& M' \' M·其中 是电阻的精度，εRshunt是分流器的精度。
! g' j3 w7 z L6 V& v9 e- J; Y$ A& @/ K1 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。
" y+ H' ]. v2 ]6 m2 d; D1 T( W5 f( I4 E7 t }: ^
Vio对精度的影响
# \4 P: ~* g a2 U/ _0 {9 U9 r- {1 [- `( j2 g$ k
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。
+ ^1 Z8 F- F7 Q+ v4 L# m( \
! ?3 g2 l7 n: ~# c考虑到传递函数，Vio可以表示成:! n4 X( A0 ~9 A* D
: d/ V: G6 _* V( _3 rVout=Vsense±Vio1R1.R4R3.R1+R2+R3±Vio2 (4)
$ P! r, x4 X8 ^3 ^* H
' i- y) ?% ~* t! A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。
+ K3 ]6 g! u7 j& o7 @1 L
; j$ i& g1 f1 h总误差
( M' H2 N: n3 Q7 Q1 x( K3 I# d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:
' f" n7 U4 \9 _- h/ C$ p, A- ~6 ^2 j
. O0 `7 b/ g; E. C& yVo=(Isense*Rshunt)R1.R4R3.R1+R2+R3.1+2R1+4R2+2R3R1+R2+R3.+±VioR1.R4R3.R1+R2+R3 (5)
: B( T3 y5 r/ t* h. ?- ^( h1 `9 u
, A. |3 ~ i$ ]4 |/ t/ Q9 \9 {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。
( N3 V0 n9 L$ D1 F R T7 ]: h* Q, s Y; H: y3 q- \
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图2：总误差，假设电阻精度为1%
" E$ d8 x. n; L! {# t+ w$ l
: C' v6 n5 [ C* p) y![]() 9 _& n6 v- H( {# P' }8 D
图3: 总误差， 假设电阻精度为0.1%
R2 `5 z3 T5 C* D, NRshunt精度为 1%
. ]! X& d6 J, Z) M& }
% u5 k; c; {1 R结论 J7 I9 { Y w
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。& [& F1 Z: i: @5 o- ?
+ D: D( h: I+ e$ h* j% [( h8 G5 j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。
) k/ b8 P5 N! ~0 v$ p- W) j
" n u2 Q7 s/ {5 O' r W' e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。3 G! N+ z: y1 n3 [% n
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发表于 2019-7-2 07:00
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