電路示意圖及原理簡介
本文所討論的應(yīng)用設(shè)計(jì)是測量150V工業(yè)電機(jī)控制器的電流。如圖1所示,為能夠精確地測量很小的電流值,我們使用了一個分流器配合一個高精度5V運(yùn)放。
圖1:典型應(yīng)用
難道150V輸入電壓不會燒毀運(yùn)放嗎?如果V1電壓是用于給第一級運(yùn)放OP_A提供正電壓(Vcc_H),就不會發(fā)生這種情況。
如果連接一個擊穿電壓為4.7V的齊納二極管,則會為第一級運(yùn)放OP_A生成負(fù)電壓 (Vcc_L)。這樣,OP_A的電源電壓是4.7V,是Vcc_L=145.3V與 Vcc_H=150V的差值。
電阻Rz為齊納二極管提供偏置電流(~5mA),并為運(yùn)放的偏置電流提供回路(~40µA)。
Vsense是電流經(jīng)過電阻Rsense時產(chǎn)生的電壓,被電阻R1、R2、R3和R4放大。
P-MOSFET(BSP2220)輸出高精度電流,與流經(jīng)Rsense的電流成正比;該電流經(jīng)過R4電阻時生成對地電壓Vo,與上橋臂電流成正比。第一級的輸出電壓可由下面的方程式1得出:
Vo=(Vsense/R1).(R4/R3).(R1+R2+R3) .....................(1)
第二級運(yùn)放OP_B用于抑制Vo電壓。在加裝電阻R5后,當(dāng)啟動階段有大電流經(jīng)過輸入引腳時,可以保護(hù)OP_B的內(nèi)部ESD二極管。
電機(jī)控制電路消耗的最大電流是100A。因此,使用一個100µΩ分流器時,Vsense最大值為10mV。最大輸出電壓取決于Vsense電壓和R4上的最終輸出電流。因?yàn)橛晌⒖刂破鞯腁DC來處理,所以最大輸出電壓Vo必須高于3.3V。
為確保系統(tǒng)正常工作,必須仔細(xì)選擇這些器件參數(shù)。為了使OP_A輸出不飽和,在選擇參數(shù)時必須保證|Vgs|電壓值很小。
因?yàn)镮ds保持低電流有助于實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo),所以我們選擇一個高電阻的R4。
為避免運(yùn)放輸出飽和,第一級運(yùn)放OP_A的增益由R2/R1比確定,不應(yīng)該過高。
在選擇器件參數(shù)時,我們不得不折衷考慮,必須遵守方程式2:
|Vgs max?| < Vzener-(R3.(R1+R2))/(R4.(R1+R2+R3) ).Vo_max .....................(2)
• 其中,Vgmax是使電流Id_max=(Vo_max)/R4進(jìn)入晶體管所需的Vgs電壓,且Vzener=Vcc_H - Vcc_L
現(xiàn)在我們看一下這個系統(tǒng)的精度問題。導(dǎo)致放大器精度差的主要原因是電阻不匹配和失調(diào)電壓。
誤差分析
電阻不匹配對測量精度的影響
假設(shè)所用電阻完美匹配,通過方程式1可以得出輸出電壓。不幸地是,實(shí)際情況并不是這樣,因?yàn)殡娮璞旧硪灿凶约旱木取?br />
用下面的公式可以得出因電阻不匹配而造成的增益誤差:
V0=((Isense*Rshunt)/R1).(R4/R3).(R1+R2+R3).[1+((2R1+4R2+2R3)/(R1+R2+R3)). εα+ εRshunt] ......(3)
• 其中εα是電阻的精度,εRshunt是分流器的精度。
從方程式3不難看出,R2電阻對誤差的影響最大,所以該電阻器必須選擇阻值盡可能小(10kΩ)的電阻。注意,R1和R3的阻值之和應(yīng)該高且均衡,只有這樣才能取得理想增益,因?yàn)槔碚撋蟁1阻值小能夠抑制噪聲。
Vio對精度的影響
輸入失調(diào)電壓是必須考慮另一個誤差,在上面的應(yīng)用中,我們選擇了一個斬波放大器TSZ121,因?yàn)檫@款產(chǎn)品的Vio電壓極低,在工作溫度范圍內(nèi)僅8µV。特別是測量特別小的電流時,這個誤差非常突出。
考慮到傳遞函數(shù),Vio可以表示成:
Vout=((Vsense±Vio1)/R1).(R4/R3).(R1+R2+R3)±Vio2 ..................... (4)
• 其中Vio1是第一級運(yùn)放(OP_A)的輸入失調(diào)電壓,Vio2是第二級運(yùn)放(OP1_ B)的輸入失調(diào)電壓。因?yàn)門SZ121的輸入失調(diào)電壓極低,所以Vio2可以忽略不計(jì)。
總誤差
為了弄清輸出總誤差,我們必須把電阻不匹配和運(yùn)放失調(diào)考慮進(jìn)去。最終,輸出電壓可以表示為方程式5:
Vo=((Isense*Rshunt))/R1).(R4/R3).(R1+R2+R3).[1+((2R1+4R2+2R3)/(R1+R2+R3)).εα+ εRshunt]±(Vio/R1).(R4/R3).(R1+R2+R3) ..................... (5)
圖2和圖3表示在工作溫度范圍內(nèi)可能出現(xiàn)的最大誤差,考慮到了分流器的精度。
圖2:總誤差,假設(shè)電阻精度為1%,Rshunt精度為 1%
圖3:總誤差,假設(shè)電阻精度為1%,Rshunt精度為 1%
結(jié)論
專用放大器通常用于上橋臂電流檢測,但是在共模電壓高于70V的應(yīng)用中,應(yīng)該改用傳統(tǒng)的5V運(yùn)放。
上橋臂電流的檢測可以使用高精度運(yùn)放如TSZ121放大器,為了工作在5V電平轉(zhuǎn)換電路內(nèi),需要一個齊納二極管配合放大器。
我們考慮到了電阻和放大器引起的某些誤差。為取得良好的電流測量精度,我們建議使用0.1%精度電阻。
文章來源于電子技術(shù)設(shè)計(jì)。
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