应用于上桥臂电流检测中的专用放大器分析

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=（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。

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+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

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。

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）。（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最大误差，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。

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。

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。

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