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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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

, Z7 o, l- l" a# {" d+ d6 H前言
9 ~! c$ \$ D" r2 n" Y3 T9 p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。

电路示意图及原理简介
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。
0 U1 f4 b5 |( I0 J

; z; H7 W' Z% z. l: j! R+ Q图1：典型应用

" r- {+ w& }* [0 c( C- J* f8 q2 F2 ~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。

) F7 ]( q1 H, J9 ~- X& y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。
1 g3 Z& c1 K) Q, G# D2 F- n1 B
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)。
; ^7 [. \$ Y2 X. Q( T, {2 L
" w3 f& Y5 X% y) j( T& N1 L7 FVsense是电流经过电阻Rsense时产生的电压，被电阻R1、R2、R3和R4放大。
4 E7 s) d# N; j& y) V& E& K( y
  Y1 c# l! c+ ]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:
( `+ C  _  y: \0 N$ r/ k. H0 h
: A5 @" b- [* sVo=VsenseR1R4R3.(R1+R2+R3)           (1)
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。

7 }; N2 H8 K, N) @- y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。

3 _, i6 K) L8 Y  S2 G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。

7 w" r$ Q3 r$ ^0 p: U' k. H1 @. u7 t4 K1 d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。

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。
3 t1 H& f- T* e- @  y8 t& v
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:
# V/ d' t2 O! T! A6 P. G# U5 O: X
+ d& Q1 l% y7 {2 a6 Z9 r7 a|Vgs max|<Vzener-R3.R1+R2R4.R1+R2+R3.Vo_max           (2)
·其中Vgmax是使电流Idmax=Vo_maxR4  进入晶体管所需的Vgs电压，且         
+ {2 Z" \- s% `5 G) A
·Vzener=Vcc_H - Vcc_L

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。
3 T1 V! w. {, q7 S( c) u: y+ H
误差分析
电阻不匹配对测量精度的影响
. S. }, ^0 U0 e' R9 E+ m
2 e# I" \. y' g* 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。

用下面的公式可以得出因电阻不匹配而造成的增益误差：
. s3 s: A5 J5 D6 V8 x" M
4 e% E- k- Y; Q9 fV0=Isense*RshuntR1.R4R3.R1+R2+R3.[1+2R1+4R2+2R3R1+R2+R3.+           (3)

6 Y% [% w# O( g! G/ p·其中 是电阻的精度，εRshunt是分流器的精度。

' U5 a2 M- d7 `* ?7 m* S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。
5 s/ Q' N- i5 ]" T4 \% W7 X& `- ^
Vio对精度的影响

2 U0 d8 @8 _3 f6 \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。
  y* x$ D/ v  ]& W; x
考虑到传递函数，Vio可以表示成:
: z) _* M6 V+ X- G% v
' o9 j! \% _( M/ C& bVout=Vsense±Vio1R1.R4R3.R1+R2+R3±Vio2 (4)
! n( h+ a2 v) q. P, |1 n: r0 b
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。
6 B0 Y, O4 ?6 C% I9 |+ _: |" U
总误差
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 u( ^( M) _& t; H! g  a
Vo=(Isense*Rshunt)R1.R4R3.R1+R2+R3.1+2R1+4R2+2R3R1+R2+R3.+±VioR1.R4R3.R1+R2+R3           (5)
* x  F; x5 g" Z0 ], }) N' N' z
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。
1 c) B7 U* ~, {+ B5 ^( J
0 F* T( V% }- u8 j+ t
; [* z# O8 R6 h; P: k图2：总误差，假设电阻精度为1%                     
" Y) K- K) B/ t8 b5 b4 u2 r) r
* B2 b- ~3 T: E! V
: Q" L6 b' z7 }5 p+ n; Q图3: 总误差， 假设电阻精度为0.1%           
Rshunt精度为 1%
$ P. t2 i. O# h% ?
: Z: M4 q: q& F2 }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。
# K5 b! g  y& O0 n4 I
& f4 U4 ^# @1 ~9 V! T; V+ W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* S9 q; p1 t$ b5 K* 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。

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