如何在高壓上橋臂電流檢測中發(fā)揮低壓高精度運放的性能

　　前言

　　上橋臂電流檢測通常采用支持擴展共模電壓的專用器件，但是專用器件也有自身的限制，例如，當共模電壓高于100V時，專用運放還能精確地測量電流嗎?傳統(tǒng)5V運放似乎完全不適用這種測量。但是，在增加幾個外部器件后，我們將會發(fā)現(xiàn)，低壓運放完全可以精確地測量上橋臂電流，而且沒有任何共模電壓限制。

　　電路示意圖及原理簡介

　　本文所討論的應用設計是測量150V工業(yè)電機控制器的電流。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運放。

　　圖1：典型應用

　　難道150V輸入電壓不會燒毀運放嗎?如果V1電壓是用于給第一級運放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，則會為第一級運放OP_A生成負電壓 (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)

　　第二級運放OP_B用于抑制Vo電壓。在加裝電阻R5后，當啟動階段有大電流經(jīng)過輸入引腳時，可以保護OP_B的內(nèi)部ESD二極管。

　　電機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。因為由微控制器的ADC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。

　　因為Ids保持低電流有助于實現(xiàn)這個目標，所以我們選擇一個高電阻的R4。

　　為避免運放輸出飽和，第一級運放OP_A的增益由R2/R1比確定，不應該過高。

　　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，實際情況并不是這樣，因為電阻本身也有自己的精度。

　　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的阻值之和應該高且均衡，只有這樣才能取得理想增益，因為理論上R1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，在上面的應用中，我們選擇了一個斬波放大器TSZ121，因為這款產(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是第一級運放(OP_A)的輸入失調(diào)電壓，Vio2是第二級運放(OP1_ B)的輸入失調(diào)電壓。因為TSZ121的輸入失調(diào)電壓極低，所以Vio2可以忽略不計。

　　總誤差

　　為了弄清輸出總誤差，我們必須把電阻不匹配和運放失調(diào)考慮進去。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，假設電阻精度為1%，Rshunt精度為 1%

　　圖3：總誤差，假設電阻精度為1%，Rshunt精度為 1%

　　結論

　　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的應用中，應該改用傳統(tǒng)的5V運放。

　　上橋臂電流的檢測可以使用高精度運放如TSZ121放大器，為了工作在5V電平轉換電路內(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。

　　(作者：Nicolas AUPETIT, 意法半導體公司)