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兩款放大器PK,誰更適合高端電流檢測

發(fā)布時間:2013-03-09 責(zé)任編輯:easonxu

【導(dǎo)讀】在汽車、電信、消費(fèi)電子和工業(yè)應(yīng)用中,高壓側(cè)電流檢測是一種廣泛的需求?,F(xiàn)在市場上銷售的集成高壓差動放大器和電流檢測放大器都可以實(shí)現(xiàn)這種功能。根據(jù)應(yīng)用中的精度和性能要求,系統(tǒng)工程師需要認(rèn)真考慮哪種類型的電流檢測器最適合其系統(tǒng)。


在電機(jī)控制、電磁閥控制以及電源管理(如DC/DC轉(zhuǎn)換器與電池監(jiān)控)等諸多應(yīng)用中,高精度的高端電流檢測都是必需的。在這種應(yīng)用中,對高壓側(cè)電流而非回路電流進(jìn)行監(jiān)控,可以提高診斷能力,如確定對地短路電流以及連續(xù)監(jiān)控回流二級管電流,避免使用取樣電阻,保持接地的完整性。圖1、圖2和圖3分別給出電磁閥控制及電機(jī)控制的典型高壓側(cè)電流取樣配置。

在上述所有配置中,監(jiān)控負(fù)載電流的取樣電阻上的PWM共模電壓在從地到電源的范圍內(nèi)擺動。利用從電源級到FET的控制信號可以確定這個PWM輸入信號的周期、頻率和上升/下降時間。因此,監(jiān)控取樣電阻上電壓的差分測量電路應(yīng)具有極高共模電壓抑制與高壓處理能力,以及高增益、高精度和低失調(diào)——其目的是為了反映真實(shí)的負(fù)載電流值。

在使用單一控制FET的電磁閥控制中(見圖1),電流始終沿同一方向流動,因此單向電流檢測器就足夠了。在電機(jī)控制配置中(見圖2與圖3),電機(jī)相位進(jìn)行分流意味著取樣電阻中的電流沿著兩個方向流動,因此,需要雙向電流檢測器。

圖1  典型電磁閥控制中的高壓側(cè)分流
圖1  典型電磁閥控制中的高壓側(cè)分流
 

許多半導(dǎo)體供應(yīng)商都為高壓側(cè)電流檢測提供了多種方案。研究這類應(yīng)用的設(shè)計工程師發(fā)現(xiàn),這些方案都可以遵循兩個截然不同的高壓結(jié)構(gòu)來進(jìn)行分類:電流檢測放大器和差動放大器。

圖2  典型H橋電機(jī)控制中的高壓側(cè)分流
圖2  典型H橋電機(jī)控制中的高壓側(cè)分流

圖3  典型三相電機(jī)控制中的高壓側(cè)分流
圖3  典型三相電機(jī)控制中的高壓側(cè)分流
 

接下來,我們將會詳細(xì)介紹這兩種架構(gòu)的重要差異,以幫助高壓側(cè)電流檢測設(shè)計工程師選擇最適合應(yīng)用的器件。我們將比較兩個高壓器件:雙向差動放大器AD8206和雙向電流檢測放大器AD8210。這兩個器件具有相同的引腳,都具備高端電流取樣監(jiān)控功能,但其性能指標(biāo)與架構(gòu)卻不同。那么,如何選擇合適的器件呢?

圖4  AD8206內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖
圖4  AD8206內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖
 

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AD8206(見圖4)是一款集成的高壓差動放大器,通過內(nèi)置輸入電阻網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)⑤斎腚妷合魅踔?/16.7,可承受高達(dá)65V的共模電壓,以使共模電壓保持在放大器A1的輸入電壓范圍內(nèi)。但是,其內(nèi)部的輸入電阻網(wǎng)絡(luò)也會使差分信號以同樣比例衰減。為了實(shí)現(xiàn)AD8206的20V/V增益,放大器A1與A2必須將差分信號放大約334V/V。

這個器件通過將輸出放大器偏置到電源范圍內(nèi)的適當(dāng)電壓,來實(shí)現(xiàn)雙向輸入測量。電阻分壓網(wǎng)絡(luò)與放大器A2同向輸入端連接,外部低阻抗電壓施加到精密配置的電阻分壓網(wǎng)絡(luò),來實(shí)現(xiàn)偏置。AD8206的一個優(yōu)異特性是:當(dāng)共模電壓為-2V(相當(dāng)于250mV的共模偏置電路,如圖4所示)時,它能夠正確地放大差分輸入電壓。

AD8210(圖5)是最近推出的一款高壓電流檢測放大器,功能與AD8210一樣,并且引腳兼容。但是,AD8210的工作方式與差動放大器不同,其性能指標(biāo)也不同。

圖5  AD8210功能示意圖
圖5  AD8210功能示意圖

一個明顯的區(qū)別是輸入結(jié)構(gòu)不依靠電阻分壓網(wǎng)絡(luò)來處理高共模電壓。輸入放大器包括一個采用XFCB IC制作工藝制造的高壓晶體管,由于此類晶體管的VCE擊穿電壓超過65V,因此輸入端的共模電壓可以高達(dá)65V。

電流檢測放大器如AD8210,采用如下方式放大小差分輸入電壓。輸入端通過R1和R2與差動放大器相連。利用晶體管Q1和Q2,可以調(diào)整流過R1和R2的電流,從而使放大器A1輸入端的電壓為零。當(dāng)AD8210的輸入信號為0V時,R1和R2中的電流相等。當(dāng)差分信號非零時,其中一個電阻的電流增加,而另外一個電阻的電流下降。電流差與輸入信號大小成比例,極性相同。流過Q1和Q2的差分電流由兩個精密調(diào)整的電阻轉(zhuǎn)換成以地為參考的差分電壓。接著,放大器A2利用低壓晶體管——由其5V(典型值)電源供電——對該電壓進(jìn)行放大,實(shí)現(xiàn)最終輸出增益達(dá)到20。

通常,只有輸入共模電壓保持在2V或3V以上時,這種架構(gòu)的電流檢測放大器才有用。不過,AD8210內(nèi)部的上拉電路能使放大器A1的輸入保持在5 V電源附近。因此,在共模電壓以及器件的5V電源電壓以下時,可以實(shí)現(xiàn)精確的差分輸入電壓測量。

顯而易見,雖然電流檢測放大器和差動放大器工作方式不同,卻履行同樣的功能。差動放大器將高輸入電壓衰減,使信號達(dá)到放大器可以接受的電平。電流檢測放大器將差分輸入電壓轉(zhuǎn)換為電流,然后再轉(zhuǎn)換至以地為參考的電壓;其輸入放大器因采用高壓制作工藝,能承受高共模電壓。毫無疑問,兩個架構(gòu)的不同將導(dǎo)致其性能差異,設(shè)計工程師在選擇高端電流檢測解決方案時必須考慮這些性能差異。通常,廠商的數(shù)據(jù)手冊已提供了大部分信息,可根據(jù)精度、速度、功耗及其他參數(shù)對器件的類型做出正確判斷。然后,器件架構(gòu)內(nèi)在的某些重大差異是無法在數(shù)據(jù)手冊中立刻發(fā)現(xiàn)的,但這些也是非常重要的設(shè)計考慮事宜。下面給出了一些工程師在實(shí)現(xiàn)最佳解決方案時必須考慮的關(guān)鍵點(diǎn)。

帶寬:由于輸入衰減,許多差動放大器的帶寬通常為電流檢測放大器的1/5。不過,差動放大器較窄的帶寬仍足以支持大多數(shù)應(yīng)用。例如,許多電磁閥控制應(yīng)用的工作頻率不足20kHz,而電機(jī)控制出于噪聲考慮,通常必須在20kHz以上。通常,電磁閥控制檢測平均電流,差動放大器的帶寬非常適合這種應(yīng)用。另一方面,對于電機(jī)控制來說,瞬時電流非常關(guān)鍵,尤其是測量電機(jī)相位時。因此,具有較寬帶寬的電流檢測器架構(gòu)將更真實(shí)地反映實(shí)際電機(jī)電流。

共模抑制(CMR):這兩種架構(gòu)之間輸入結(jié)構(gòu)的差異還導(dǎo)致CMR性能的不同。差動放大器通常具有精密跟蹤精度高達(dá)0.01%的輸入電阻。在直流電壓時,這種匹配程度通常確保了80dB CMR。而電流檢測放大器因其晶體管輸入結(jié)構(gòu),可以獲得更佳的匹配,因此其CMR不再取決于輸入電阻的匹配,通??梢赃_(dá)到100dB以上,除非共模電壓較低。例如,AD8210在輸入共模電壓低于5V時,能提供的CMR值與差動放大器一樣,為80dB。在這個電壓范圍下,由于其內(nèi)部存在著上拉電路,輸入結(jié)構(gòu)具有電阻性,CMR值與0.01%精密電阻匹配性相關(guān)。在整個范圍內(nèi),電流檢測結(jié)構(gòu)將提供更好的共模抑制。

外部輸入濾波影響:如果在高端電流檢測應(yīng)用中使用外部濾波,架構(gòu)影響非常大。輸入濾波器的目的是平滑輸入噪聲和電流尖峰,結(jié)構(gòu)通常如圖6所示。

圖6  輸入濾波器
圖6  輸入濾波器

差動放大器的輸入阻抗大于100kΩ。對于AD8206,Rin=200kΩ,如果使用 200Ω濾波器電阻,額外增益誤差將在 0.1%以內(nèi)。假設(shè)電阻的公差是1%,這些外部元件帶來的共模誤差將達(dá)-94dB,但可以忽略不計。

雖然電流檢測放大器具有高得多的共模輸入阻抗,為了將差分輸入電壓轉(zhuǎn)換為電流,其串行輸入電阻通常低于 5kΩ。對于AD8210來說,差分輸入阻抗Rin=3.5kΩ,在這種情況下,濾波電阻帶來的附加增益誤差可能高達(dá)5.4%!同時,假設(shè)外部電阻失配的最差情況,CMR能下降到59dB。對于最大整體誤差低于2%的器件性能來說,這是非常大的影響。

因此,在電流檢測架構(gòu)中引入輸入濾波器要非常謹(jǐn)慎。當(dāng)內(nèi)置電阻在5kΩ以下時,應(yīng)當(dāng)使用阻值低于10Ω的濾波器電阻,這將確保電流檢測放大器的原始高精度。差動放大器可采用的輸入濾波電阻阻值范圍較寬,因?yàn)槠鋬?nèi)部的高阻值輸入電阻網(wǎng)絡(luò)受外部失配的影響較小。

輸入過驅(qū)動:在高端電流檢測應(yīng)用中,設(shè)計工程師必須認(rèn)真考慮可能使放大器工作在指定范圍以外的潛在事件。在典型應(yīng)用中,雖然流經(jīng)取樣電阻的負(fù)載電流僅數(shù)百毫伏,但放大器的輸入結(jié)構(gòu)不同,在輸入電壓為若干伏特的故障情況下,器件是否還能正常工作?在這種情況下,差動放大器架構(gòu)具有更強(qiáng)的魯棒性,一旦系統(tǒng)次序后退,更可能繼續(xù)如期地履行功能。輸入電阻網(wǎng)絡(luò)可以簡單的將電流流向接地端;在65V時,AD8206的輸入端阻抗是200kΩ,則流向接地端的電流是325μA。

如果使用電流檢測放大器架構(gòu),設(shè)計人員必須考慮這種潛在問題。在第一個例子情況下,當(dāng)輸入電壓大幅擺動時,像AD8210這樣的放大器是無法正常工作的。這種類型的放大器輸入端通常包含靜電放電(ESD)保護(hù)二極管。利用大于0.7V的壓差,可以使這個二極管正偏。這個二極管的實(shí)際斷點(diǎn)是變化的,但大的差分電壓(如來自汽車電源),通常會給放大器帶來損害。

負(fù)壓保護(hù):在許多情況下,必須保護(hù)電流檢測器免受反向電源電壓的損壞,尤其是在汽車應(yīng)用中。差動放大器的電阻橋輸入可能是重要因素。不過,設(shè)計工程師必須核對器件的絕對額定值,以確保輸入ESD二極管僅在較大負(fù)壓下導(dǎo)通。

不過,在這種情況下,電流檢測架構(gòu)并不是最優(yōu)的,因?yàn)檩斎敕糯笃骷捌湎鄳?yīng)的輸入晶體管將直接與大的負(fù)壓相連。因?yàn)檩斎胄盘柌粦?yīng)當(dāng)受大的輸入負(fù)直流電壓的影響,因此,電流檢測放大器的輸入ESD二極管通常設(shè)計成僅在指定輸入電壓范圍的低端以外導(dǎo)通。

除了直流負(fù)壓,這種電流檢測器還容易受到負(fù)的輸入瞬態(tài)負(fù)流的影響。在PWM系統(tǒng)中這是一種常見情況,其中電流取樣檢測器隨著內(nèi)部FET開關(guān)導(dǎo)通與關(guān)斷,其輸入共模電壓從地到電源電壓之間擺動。同樣,也必須認(rèn)真考慮最大絕對額定值,這些值主要由放大器輸入ESD二極管決定。和以前一樣,差動放大器受到高輸入電阻的保護(hù),從本質(zhì)上講是阻止負(fù)的瞬態(tài)電流進(jìn)入。因此,ESD二極管通常設(shè)計為能夠鉗位大的負(fù)電壓。但是,當(dāng)采用電流檢測架構(gòu)時,在每個短路瞬間,負(fù)瞬態(tài)電流能啟動輸入ESD保護(hù),而通常的設(shè)計是:當(dāng)輸入電壓接近放大器輸入共模額定值時,啟動輸入ESD保護(hù)。雖然這種大小的脈沖一般不會損壞AD8210放大器ESD單元,但這方面的性能因器件不同而異。為了確保不會出現(xiàn)錯誤,在實(shí)際系統(tǒng)中應(yīng)當(dāng)對這個參數(shù)進(jìn)行測試。

輸入偏置電流:在電源管理非常重要以及必須考慮少量泄漏的應(yīng)用中,兩種架構(gòu)中的不同輸入結(jié)構(gòu)都要求考慮輸入偏置電流。例如,在電池電流檢測系統(tǒng)中,兩個架構(gòu)都可以監(jiān)控高壓側(cè)電流。不過,當(dāng)系統(tǒng)關(guān)斷且電流檢控器的電源關(guān)斷時,雖然輸入仍然與電池相連,差動放大器(如AD8206)內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)中的固有接地線路將需要偏置電流,以持續(xù)耗盡電池電流。另一方面,由于輸入共模阻抗非常高(AD8210輸入共模阻抗>5MΩ),采用電流檢測架構(gòu)的放大器不會耗盡電池,因?yàn)樵谳斎氲浇拥氐穆窂街袔缀鯖]有電流。

結(jié)論

兩種類型的電流檢測器都可以工作,但不同架構(gòu)的優(yōu)勢卻取決于截然不同的指標(biāo)折中。對于瞬態(tài)電流監(jiān)控,寬帶寬的電流檢測放大器最適合,但差動放大器更適合監(jiān)控平均電流。此外,電流檢測放大器具有最小的輸入電源關(guān)斷偏置電流泄漏,因此非常適合對電流消耗敏感的電源管理應(yīng)用。不過,采用外部濾波器時,高壓側(cè)電流檢測放大器的輸入結(jié)構(gòu)可能限制性能并要求仔細(xì)檢查,以確保在惡劣應(yīng)用環(huán)境使用時不超過絕對輸入額定值。
 

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