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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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

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。
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2 P6 M  `' k1 I1 A8 o/ |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。
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图1：典型应用
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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。
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0 v* o( z4 `6 U% f/ @/ N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。
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% n. F- _% m) Y9 o, ?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)。
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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。
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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。
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/ L4 b3 O# [1 l; V2 ?& F7 I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。

2 x; s( c/ X5 A, b( k! \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。

" u% `" k* t% s: V7 t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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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:
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2 c2 ^' \2 j$ s* A; D# E# `|Vgs max|<Vzener-R3.R1+R2R4.R1+R2+R3.Vo_max           (2)
1 x2 A( m  }$ @# h5 e% ~1 W·其中Vgmax是使电流Idmax=Vo_maxR4  进入晶体管所需的Vgs电压，且         

·Vzener=Vcc_H - Vcc_L
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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。
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7 T. Z6 u( O& Q误差分析
电阻不匹配对测量精度的影响
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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：
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8 \+ l! p" |) ~/ ^- C. w2 FV0=Isense*RshuntR1.R4R3.R1+R2+R3.[1+2R1+4R2+2R3R1+R2+R3.+           (3)

·其中 是电阻的精度，εRshunt是分流器的精度。

  T: Y7 D5 e0 `; L& l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。

2 D  e6 V1 u0 a/ a" ^7 X, `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。
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, R0 m& f, l7 o考虑到传递函数，Vio可以表示成:
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Vout=Vsense±Vio1R1.R4R3.R1+R2+R3±Vio2 (4)
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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。

9 G8 g4 o3 `; q7 M% s" v- A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:
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/ ^8 j8 p/ B( B' _  rVo=(Isense*Rshunt)R1.R4R3.R1+R2+R3.1+2R1+4R2+2R3R1+R2+R3.+±VioR1.R4R3.R1+R2+R3           (5)

( N; F% y4 q" @$ H% G& e, C+ W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%                     
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5 b$ y7 `0 I8 V0 ?  w* z图3: 总误差， 假设电阻精度为0.1%           
Rshunt精度为 1%
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1 F' i9 q4 r3 G4 B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。
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: P  X% q  A: w, u# X9 g; M/ [+ s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。
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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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