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

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。
% X3 \  L7 L& l8 ]
; V5 g/ @  X: u9 e: n7 v" \电路示意图及原理简介
5 C. \3 J$ A' b% B7 Z. ?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。

/ y2 M( @) U7 L9 `. \* F
; h6 x; k$ M$ g. i$ V* A3 N图1：典型应用

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。

; }" I' x$ d  ^; E: ~8 k. l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。
  r5 Y# K3 R# G2 i& Q
8 E: T/ R9 Z" V( k5 Q  \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)。
) T; |- s" F. w: ]' o# ^1 X
5 C9 B7 F9 h, }. T; AVsense是电流经过电阻Rsense时产生的电压，被电阻R1、R2、R3和R4放大。
9 U  R) H. W  v* ^- V5 c9 {3 d0 G
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:

5 B, K# f  F/ z7 ]5 Y* yVo=VsenseR1R4R3.(R1+R2+R3)           (1)
& @0 i/ o3 ~4 w  c' f% ], v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。

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。
) Z, F. K2 @$ l! U/ q0 A3 E
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。
( ?0 N& U/ Z% }6 o' a4 u: r6 Q
" ?1 f; r7 h7 a7 e3 W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。
+ f3 ~3 t% Z2 t
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。
# R- Q3 w4 C  f, o, }0 ~& {& o
2 s& R0 W' P/ B0 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:

|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         

5 Y  L& w# w% R  o* Q& D·Vzener=Vcc_H - Vcc_L
3 Z9 I; X+ J5 _( 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。

误差分析
( V( }% Q5 W) B, J( X, b电阻不匹配对测量精度的影响

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：
5 j% f7 d( p4 t1 D& u) ~# A
( s$ P8 `# T1 `: {0 Z# yV0=Isense*RshuntR1.R4R3.R1+R2+R3.[1+2R1+4R2+2R3R1+R2+R3.+           (3)
0 I$ b- W8 {7 E7 J' V" G1 w, n- {
4 h. m' u4 f  ^  Z) @·其中 是电阻的精度，εRshunt是分流器的精度。
+ o: A2 K+ I  D8 {0 K' u
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。

Vio对精度的影响
! C: W6 ?/ D. d
& E$ r, P, V% _$ J& h2 c8 U6 H) ^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。
  a. _9 U2 x' E; @+ `
* q5 q& R' f0 d6 z3 _考虑到传递函数，Vio可以表示成:
7 R, W3 n; H' u/ L
& z- ~& l* ], @9 x9 EVout=Vsense±Vio1R1.R4R3.R1+R2+R3±Vio2 (4)
+ e; t" X: e: Q7 ]% |& T
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 a$ Q; J) l# r& b4 |. `  T  [
8 N" d8 K  y8 ]$ s: A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:

Vo=(Isense*Rshunt)R1.R4R3.R1+R2+R3.1+2R1+4R2+2R3R1+R2+R3.+±VioR1.R4R3.R1+R2+R3           (5)
) w* T  [! ~  I* \! k6 P+ f
9 p7 j: B$ f+ d  j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 g# x( l. w+ b8 ?1 E# n
$ O$ ~1 q/ O8 `9 {1 L
& s, E% g7 z, F. H图2：总误差，假设电阻精度为1%                     
! d* [$ y6 F2 I# U# L/ p0 `
3 w0 L. K$ _! w5 I! s* I' G
图3: 总误差， 假设电阻精度为0.1%           
9 Q* }' b: q: h9 TRshunt精度为 1%

结论
' V8 _$ M# r( `' e- P4 L9 Y8 U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。

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。
' T& r' {. G: \* ?. F3 Q1 K$ V
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。
- G( Y( d: ~% J$ O: M1 H

ulppknot

分享是美德