高压上桥臂电流检测的应用设计

【Word版本下载可任意编辑】高压上桥臂电流检测的应用设计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。

图1：典型应用

难道150V输入电压不会烧毁运放吗？如果V1电压是用于给级运放OP＿A提供正电压（Vcc＿H），就不会发生这种情况。

如果连接一个击穿电压为4.7V的齐纳二极管，则会为级运放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。

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）。

Vsense是电流经过电阻Rsense时产生的电压，被电阻R1、R2、R3和R4放大。

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。级的输出电压可由下面的方程式1得出：

Vo＝（Vsense／R1）.（R4／R3）.（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。

电机控制电路消耗的电流是100A。因此，使用一个100μΩ分流器时，Vsense值为10mV。输出电压取决于Vsense电压和R4上的终输出电流。因为由微控制器的ADC来处理，所以输出电压Vo必须高于3.3V。

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。

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。

为防止运放输出饱和，级运放OP＿A的增益由R2／R1比确定，不应该过高。

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：

｜Vgsmax｜＜Vzener－（R3.（R1＋R2））／（R4.（R1＋R2＋R3））.Vo＿max（2）

●其中，Vgmax是使电流Id＿max＝（Vo＿max）／R4进入晶体管所需的Vgs电压，且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。

误差分析

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：

V0＝（（Isense＊Rshunt）／R1）.（R4／R3）.（R1＋R2＋R3）.［1＋（（2R1＋4R2＋2R3）／（R1＋R2＋R3））.εα＋εRshunt］（3）

●其中εα是电阻的精度，εRshunt是分流器的精度。

从方程式3不难看出，R2电阻对误差的影响，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

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。

考虑到传递函数，Vio可以表示成：

Vout＝（（Vsense±Vio1）／R1）.（R4／R3）.（R1＋R2＋R3）±Vio2（4）

●其中Vio1是级运放（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。

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。终，输出电压可以表示为方程式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）

图2和图3表示在工作温度范围内可能出现的误差，考虑到了分流器的精度。

图2：总误差，假设电阻精度为1％，Rshunt精度为1％

图3：总误差，假设电阻精度为1％，Rshunt精度为1％

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。