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浅谈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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2017-11-10
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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。
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。
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。
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。
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。第一级的输出电压可由下面的方程式1得出：
Vo=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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。第一级的输出电压可由下面的方程式1得出：
Vo=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。
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。
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。
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