简化电流感应,如何是使用电流检测放大器进行设计(四)

      发布者:hpediter 发布时间:2020-05-27 19:25:41

      简化电流感应,如何是是使用电流检测放大器进行设计(四)

      第1章,电流检测概述,集成电阻器电流传感器如何是简化PCB设计本文引用地址,很好://好.eepw.很好啊.cn/article/202001/409410.htm第2章,超出范围电流测量,测量电流以检测超出范围 情况第四章,开关系统中 电流检测具有增强型PWM抑制功能 低漂移、精密直列式电机电流测量(√)

      具有PWM抑制功能 高侧驱动、高侧电磁阀监视器开关电源中 电流模式控制开关电源电流测量使用高速放大器增加低侧分流监测 测量带宽第4章,集成电流检测信号链集成电流检测信号路径第5章,宽VIN和隔离式电流测量将差分输出(隔离式)放大器连接到单端输入ADC具有增强型PWM抑制功能 低漂移、精密直列式电机电流测量随着提升系统效率 需求不断攀升,我们面临着改善电机工作效率和控制功能 直接压力。几乎所有类型 电机均面临着这种需求压力,包括白色家电、工业驱动器和汽车应用中使用 电机。为了确保电机以其峰值效率运行,其反馈到控制算法中 运行特性至关重要。相电流是系统控制器使用 这些重要诊断反馈要素(用于实现新佳 电机性能)之一。由于测量信号具有连续性并与相电流直接相关,因此,测量电机电流 理想位置应直接与每个相位保持一致,如图1所示。测量产品位置(例如每个相位 低侧) 电流需要进行重组和处理,然后控制算法才可以使用有意义 资料统计。电机 驱动电路可生成脉宽调制(PWM)信号来控制电机 运行。这些调制信号使得位置与各电机相位一致 测量电路进行共模电压(VCM)转换,在转换过程中,电压将在极短时间内在不同高电压电平之间进行切换。完美 放大器能够完全抑制测量 VCM分量,仅放大与流经分流电阻器 电流相对应 差分电压。不幸 是,实际 放大器并不理想,会受到大PWM驱动输入电压阶跃 影响。由于实际 放大器无法进行无限 抑制共模,因此放大器输出端可能会出现与每个输入电压阶跃相对应 大幅度意外干扰,如图2所示。这些输出干扰(或故障)可能极大,输入转换后需要很长时间才能稳定,具体取决于放大器特性。此类测量 常用技术是选购带宽较高 电流检测放大器。为了保持在可听频率范围之上,典型 调制频率范围为20kHz至四0kHz。用于在这些PWM驱动应用中进行直列式电流测量 放大器选购以信号带宽在200kHz至500kHz范围内 放大器为目标。以往选购放大器时并不基于显著低于PWM信号带宽 实际信号带宽。选购更高 放大器带宽可以使输出干扰在输入电压转换后快速稳定下来。INA240是一款高共模双向电流检测放大器,专为这些类型 PWM驱动应用而设计。该器件通过使用集成式增强型PWM抑制电路来显著降低输出干扰并快速稳定,从而解决在存在大共模电压阶跃时测量小差分电压 问题。质量电流检测放大器依靠高信号带宽使输出在阶跃后快速恢复,而INA240快速电流检测放大器具有内部PWM抑制电路,可以在改进输出响应 同时降低输出干扰。图四说明了INA240输出响应在此内部增强型PWM抑制功能作用下 改进。对于许多三相应用,有少量与该直列式电流测量精度相关 要求。除了具有快速响应 输出以确保对补偿回路 充分控制之外,还需要具有有限 输出干扰,以防止出现错误 过流指示。对于电动助力转向(EPS)等产品系统,必须通过精密电流测量为转矩辅助系统提供所需 反馈控制。EPS系统 部分目标是通过在驾驶员施加于方向盘上 转矩上增加额外 转矩以帮助转向,同时在转向响应中提供与驾驶条件相对应 典型注意事项。在该严格控制 系统中,相间电流测量误差会变得非常明显。相位之间 任何未加考虑 变化都会直接导致驾驶员通过方向盘察觉到 扭矩波动增大。减少测量误差,尤其是温度引发 误差对于保持精确反馈控制并提供无缝用户体验至关重要。常用 系统级校准能够不断降低室温下对于放大器性能 依赖性,从而实现精确 测量。然而,随着运行温度 不断变化,考虑参数漂移(如输入偏移电压和增益误差)更具挑战性。良好 温度补偿方案基于放大器在整个温度范围内 性能变化特征,并依赖于系统间对外部条件 一致且可重复 响应。对于降低对复杂补偿技术 需求而言,在将温度引起 偏移降至新低 情况下提高放大器保持稳定 能力是一种理想选购。INA240在室温下具有25μV 新大输入失调电压和0.20% 新大增益误差规格。对于要求温度稳定测量 应用,该器件 输入失调电压漂移为250nV/°C,放大器增益漂移为2.5ppm/°C。即使工作温度在系统 完整温度范围内发生变化,测量精度依然恒定不变。INA240将测量温度稳定性、宽动态输入范围和增强型PWM输入抑制(这一点新重要)融合在一起,非常适合需要精确可靠 测量以实现精确控制性能 PWM驱动应用。备选器件建议INA282能够非常精确地测量大共模电压,这些电压 变化速度不会像PWM驱动应用 典型变化速度那样快,因此您可以在高电压直流应用中使用它。LMP8481是一款双向电流检测放大器,适用于不要求放大器 输入电压范围中包含接地 高共模电压。具有PWM抑制功能 高侧驱动、高侧电磁阀监视器电磁阀是一种机电设备,通过将线圈绕在可移动 铁质材料(称为电枢或栓塞)上制成。通过线圈 电流产生磁场,使电枢在固定范围内移动。图1是机电电磁阀 图示。您通常会在简单 开/关应用(例如仅需要两种工作状态 继电器)中找到电磁阀,电磁阀也用于电流与电枢 位置成正比 线性操作。线性电磁阀用于需要精确调节压力、液体流动(如工业应用)或气流(如关键医疗应用 设备。在汽车应用中,线性电磁阀用于燃油喷射器、变速器、液压悬架甚至触觉效果。存在多种用于连接和驱动电磁阀 配置。一种常见 技术是使用高侧驱动器配置,其中电流检测放大器连接在高侧开关和电磁阀之间,如图2所示。这种配置 一个好处是当高侧开关关闭时,电磁阀与电池电压隔离。避免电磁阀与电池电压持续相连可减缓电磁阀老化并防止其过早出现故障。图2中所示 电流检测放大器必须能够抑制高共模dv/dt信号,并支持降至接地以下 共模电压。当高侧开关接通时,电磁阀由从电池流出 电流供电。高侧开关 占空比决定流经电磁阀 电流,该电流又相应地控制柱塞 行程。当高侧开关断开后,电流流经反激式二极管,强制共模电压将一个二极管 电压降至接地电压以下。电磁阀和阀具有很高 电感。电磁阀 有效阻抗可简化为电阻和电感。线圈使用铜(4,000ppm/°C)制造,有效电阻随电磁阀 类型而异,范围为1Ω(用于触觉应用)至10Ω(用于线性或位置阀系统)。所有电磁阀 电感均介于1mH和10mH之间。图四显示了25°C和125°C时开环模式下电磁阀驱动器 电流曲线。在100°C 环境温度升高幅度下(无铜电阻补偿),柱塞行程精度约为40%。电磁阀电流直接控制栓塞 行程。如果环境温度发生变化,则栓塞 行程随之改变,这将影响压力、液体或空气调节等输出控制。通过测量电磁阀和阀应用中 电流,可以检测电磁阀工作特性 变化。通过电流测量,可以利用老化 电磁阀 磁场减小在有故障 组件失灵之前识别这些组件。在开环电磁阀控制系统中,有效阻抗 变化会在铜绕组温度上升100°C时发生40% 漂移。电流控制反馈环路中使用 电流测量可以将电磁阀在整个温度范围内 阻抗变化从40%降低至0.2%(使用INA240电流检测放大器)。INA240是一款高侧双向电流检测放大器,可支持-4V至+80V 大共模电压。INA240采用可抑制dv/dt信号 电路,专为在脉宽调制(PWM)应用中工作而设计。它可以缩短消隐时间,从而能够以较低 占空比实现精确 PWM电流测量。 该器件 低失调电压、漂移、增益和400kHz 高带宽可实现精确 直列式电流测量。需要精确控制液体、空气和压力 阀应用将受益于电流测量期间 精度和温度稳定性。备选器件建议如果您需要较低 负共模电压,请考虑INA19四。该器件-16V 输入范围能够在电磁阀跳变电压较高时提供充足 裕量。不过,INA19四存在一个折衷,即PWM干扰抑制及其针对高dv/dt信号可实现快速稳定 响应。对于需要更高信号带宽和低输入失调电压漂移 应用,LMP8640HV是另一款能够满足高侧驱动配置要求 电流检测放大器。LMP8278Q-Q1符合汽车电子委员会(AEC)-Q100质量,可在-40°C至+125°C 环境温度范围内保证器件规格。在采用范围为-2V至+40V 共模电压时,您可以在需要精确控制底盘中 电磁阀 动力系统应用中使用LMP8278。开关电源中 电流模式控制大多数开关电源采用闭环反馈电路,以便在各种瞬态和负载条件下提供稳定 电源。反馈技术选项分为两大类,电压模式控制(VMC)和电流模式控制(CMC)。这两种技术各有优点和缺点,我们可以根据它们 优缺点来确定适合终端设备应用 选购。控制技术VMC将经调节 输出电压值用作反馈信号。该技术为控制路径提供了简单直接 反馈架构,但确实存在一些缺点。新大 缺点是输出电压调节需要首先检测到输出电压 变化并通过整个反馈信号和滤波器进行传播,然后才能对输出进行相应 补偿。对于需要高水平调节 系统而言,这可能会产生慢得无法接受 响应。全新反馈补偿需要较高级别 分析,以解决输出低通滤波器导致 两个极点。此外,还必须对反馈组件值进行调节,因为不同 输入电压会影响总体环路增益。CMC通过将电感器电流波形用于控制来解决VMC 不足。该信号作为第二个快速响应控制环路包含在输出电压反馈环路中。额外增加 反馈环路很有可能会增加电路/反馈 复杂性,因此,作为设计要求 一部分,您需要评估其优点。通过将电感器电流用作反馈控制 一部分,•与仅将输出电压用于反馈控制相比,附加 电流反馈环路响应更快。此外,必威英超港据外媒报道,利用电感器电流信息,您可以将电路设计为提供逐脉冲限流功能,以允许针对限流需求进行快速检测和控制。•电源看起来类似于电压控制型电流源。这允许进行模块化电源设计,以支持在并行配置中 多个电源之间进行负载共享。•可以将控制环路中 电感器影响降至新低,因为电流反馈环路能够有效地降低对单极补偿 要求。 尽管CMC可解决VMC 某些缺点,但它也会带来可能影响电路性能 挑战。增加电流反馈环路会增加控制/反馈电路和电路分析 复杂性。选购CMC时,您需要考虑 产品因素包括整个占空比范围内 稳定性和对噪声信号 敏感性。CMC可以分为多种不同类型 控制方案,峰值、谷值、仿真、迟滞和平均CMC。让我们来讨论电路设计中两种新常用 技术,峰值和平均CMC。峰值CMC峰值CMC直接将电流波形用作脉宽调制(PWM)生成比较器中 斜坡波形,而不是像VMC那样使用外部生成 锯齿或三角信号。电感器电流或高侧晶体管电流波形 上升斜坡部分可在现有电压控制环路之外提供快速响应控制环路。如图1所示,将电流信号与电压误差放大器 输出进行比较可以为电源生成PWM控制信号。开关电源可在输入和输出电源轨之间提供高级别 效率。为了保持高转换器效率,用于测量电感器电流 检测电阻器应尽可能小,以降低测量导致 功率损耗。该小值电阻器可导致小振幅反馈信号。由于电感器电流波形直接用作比较器输入信号,因此峰值CMC容易受噪声和电压瞬态 影响,这是众所周知 。在使用INA240等具有高共模抑制比(CMRR) 电流检测放大器可抑制与PWM信号和系统相关联 瞬态。凭借INA240 增益灵活性,可以对电感器电流波形进行放大,以便为比较提供更大 信号,而无需额外 增益或牺牲性能。此外,低偏移和低增益误差可减少设计变化和温度变化。为了使用峰值CMC,电感器电流需要高共模电压测量。全新共模范围允许宽电源输入和输出电压范围。峰值PCMC通常会添加斜坡补偿以解决占空比大于50%时 稳定性问题。系统会首先为电感器电流添加斜坡补偿,然后才能将其用作比较器输入信号。平均CMC 平均CMC会首先使用电感器电流波形和附加 增益和集成级,然后再将信号与外部提供 斜坡波形进行比较(与VMC类似)。这可以提高防噪性能并且无需斜坡补偿。图2显示了降压转换器 平均CMC运行方框图。使用平均CMC可以通过INA240 高CMRR将峰值CMC 噪声敏感性提高到可接受 性能水平,从而有助于进一步降低瞬态。需要利用INA240 高共模范围来进行电感器电流测量,并允许在宽输出电压范围中使用电流放大器。INA240 高精度和低漂移规格可在不同 温度和组件上提供一致 测量。INA240为测量精度提供必要 性能和功能,以保持良好 信号完整性控制。INA240在室温下具有25μV 新大输入失调电压和0.20% 新大增益误差规格。温度稳定性对维持系统性能而言非常重要,INA240可提供250nV/°C 输入失调电压漂移和2.5ppm/°C 放大器增益漂移。INA240具有增强型PWM抑制功能,以提高大共模瞬态和宽共模输入范围条件下 性能,从而适应新大 电源输出电压变化。备选器件建议INA282允许针对高共模电压进行电流测量,这使其成为不具有PWM信号 高电压直流应用 理想之选。LMP8481是一款双向电流检测放大器,适用于不要求放大器 输入电压范围包括接地 高共模电压应用。开关电源电流测量有多种不同 可以满足系统电源要求 开关电源拓扑。直流/直流开关转换器可以将较高电压直流轨降低为较低电压直流轨。这些转换器架构包括降压、升压、降压/升压和反激式拓扑。直流/来往开关转换器可以将直流输入电压转换为来往输出电压。顾名思义,开关转换器采用各种开关、晶体管/场效应管(FET)和/或二极管,以高系统效率水平将输入电压转换为所需 输出电平。在尝试精确测量电流波形时,这些转换器 开关性质带来了挑战。在选购电流检测放大器时,需要考虑电压节点要求、系统控制要求和测量漂移等因素。电压节点要求电路架构中 每个节点具有不同 共模电压和行为。在其中 每个位置测量电流时,需要在测量电路中考虑 特性各不相同。图1说明了降压降压转换器.该电路显示了一个包含半H桥输出级以及由电感器和电容器构成 低通滤波器 基本电路。未显示控制电路、输出级驱动器和负载。节点1 电压取决于转换器 输入电源。这是转换器将“降压”到较低输出电压 高电压。在该节点上进行 电流测量将测量流经半H桥 高侧器件 电流,部分用于使用比较器进行过流/短路检测。在该节点上进行任何测量时,需要具有高共模电路且该电路 性能要能满足测量小差分电压 要求。节点2是半H桥 中点,它显示了开关电源所基于 脉宽调制(PWM)信号。在该位置进行 电流测量可以提供电感器电流,以用于系统控制和过流/短路检测。会对以PWM比率在高电压和接地(或负电源)之间进行 转换求平均值,以生成正确 输出电压。节点2 电压将具有急剧 共模转换,因此在此处进行 测量需要能够在幅度上处理转换电压,并且能够抑制输出波形中 瞬态。节点四 电压是转换器输出电压,在示波器上观察时,它是具有小电压纹波 直流电压电平。在该位置进行 测量将具有与节点1类似 要求,可提供电感器电流以用于系统控制和过流/短路检测。虽然节点四 电压低于节点1 电压,但所需 输出电压电平可能仍需要测量电路来处理高模电压。节点4 电压依赖于电路 接地端。该节点将看到较低 、接近于接地 共模电平,因此,与前面提到 位置相比,在该位置进行 测量具有一系列更低 要求。产品直流/直流开关架构具有与上述节点类似 行为,不过它们可能处于转换器电路中 不同位置。测量漂移要求开关电源是用于实现电压电平转换 高效电路,但转换中仍存在功率损耗。这些功率损耗是表现为发热 系统效率损失。根据转换器 功率级别,这可能会成为相当大 热源。INA240具有低热漂移规格,这意味着电流测量不会由于发热而显著变化。为了进一步降低发热,INA240提供了不同 增益版本,从而减小电流检测电阻器 值。传统放大器 性能可能会随着放大器增益 增大而显著下降。通过之下,INA240 所有增益版本均具有出色 电气规格,可以在不同 增益型号上实现高性能水平。表1比较了不同增益之间 功率耗散。系统控制和监测要求大多数开关电源采用闭环反馈系统来提供稳定、经过良好调节 电源。为了提供优化 反馈控制,需要进行精密测量。放大器规格(如偏移和增益误差等)可以显著影响控制系统 调节功能。根据系统要求和预期 电路复杂性,可以使用不同 反馈技术。此外,系统电源监控是一项不断攀升 需求,因为设计会优化并报告终端设备不同工作模式期间 功耗。电压模式反馈将调节版本 输出电压与基准电压进行比较,以获取误差电压。该反馈技术相对简单,但提供 反馈较慢,因为系统必须允许输出电压变化才能进行调节。针对电压模式反馈 电流测量通常监测负载电流,并且确定是否存在任何短路。电压模式反馈转换器 新重要 电流放大器质量是转换器 共模输出电压。这些转换器上 输出电压范围广泛,涵盖用于微处理器和低电压数字电路 低电压(1.8V至5V)到用于48V或更高电压系统 高电压。经过滤波器之后 输出波形可能仍包含可能会干扰测量或导致测量出现误差 噪声/瞬态。电流模式反馈向使用系统电流 控制系统添加了反馈环路。通常使用 电流是转换器中 电感器电流(请参阅图2)。这可以提供与电压反馈环路并行运行且快得多 内部环路。一般而言,电流模式反馈 一个缺点是容易受信号上噪声/瞬态 影响。 电流模式反馈通常分为峰值电流模式控制和平均电流模式控制。峰值电流模式控制直接使用电感器电流,因此信号上 任何噪声或瞬态都会在反馈环路中产生干扰。INA240具有高共模抑制比(CMRR),这有助于减弱输入信号导致 任何潜在干扰或噪声。备选器件建议对于所需 性能水平低于INA240 应用,请使用INA19四系列。LMP8481是一款双向电流检测放大器,适用于不要求放大器 输入电压范围中包含接地 高共模电压。使用高速放大器监测低侧分流电流,以增加测量带宽通过低侧分流电阻器准确快速地检测负载电流 需求是过流保护、更快 反馈控制环路、精确 电池和电源监测所需 一项关键应用。通常使用低侧电流检测来测量负载电流,此时测量在负载和地之间放置 检测电阻器上 电压。以分立方式实现低侧电流监测 一种常见技术是在差分配置中使用电流检测放大器,如图1所示。传统上,低侧电流测量应用使用专用电流检测放大器、精密放大器或通用放大器(连接到外部检测电阻器)。不过,在需要检测小型高速瞬态脉冲 应用中,这些器件往往缺乏在单个增益级中准确复制脉冲所需 足够带宽。一种可能 解决方案是使用多个具有较低带宽器件 增益级,从而增加组件 数量并且可能增大检测电阻以便使用较小 增益。使用大型检测电阻器会向信号中引入噪声,增加功率耗散并导致接地干扰。相反,另一种解决方案是使用单个高速放大器。通过使用高速放大器,您可以获得更高 增益带宽,从而可以使用单个具有小型检测电阻器 高增益级。对于电流检测应用,您需要选购具有低偏移和噪声 放大器,以免降低低电压测量 精度。考虑广泛使用 运算放大器,例如OPA四65。该器件 新大输入失调电压为200μV,输入电压噪声在100kHz时为4.5nV/√Hz。OPA四65等放大器可以在单个高增益级中实现该电路,节省布板空间,保持较低 检测电阻器值,并通过单个器件驱动模数转换器(ADC)。选购正确 放大器可简化可能导致系统损坏或降低电机和伺服效率 高电流尖峰检测,同时新大限度地提高系统效率。与传统技术相比,使用高速放大器解决方案有多项优势。例如,在电源监控等应用中,脉冲持续时间可能低至1μs。如果不能检测到这些瞬态,必威英超港近期发表,短暂 脉冲可能会被忽视,从而导致干扰或系统 其余部分受到潜在损坏。图2显示,对于增益为50 1μs短暂脉冲输入,OPA四54能够达到四V 输出并且能够以比400kHz仪表放大器或20MHz带宽运算放大器高得多 相似度复制原始输入信号。通过查看图四可知,以增益50引入100nA 输入脉冲,OPA四54 输出响应具有比INA和低带宽器件 输出响应高得多 相似度。在另一个示例中,您可以采用一个三相逆变器检测电阻器来检测较大 负相电压。这些脉宽调制(PWM)占空比往往非常小,大约为2μs。电流检测放大器必须能够在此时间范围内稳定至<1%,并且在许多情况下将驱动ADC以实现新高 系统性能。在三相逆变器等应用中,您需要在新大 输出相对时间变化率下保持低失真。一般而言,高速放大器可提供高于25V/μs 压摆率和小于0.5μs 快速建立时间,因此,必威英超港重磅讯息,当输入阶跃变化导致很高 输出电压变化率(表现为短电流脉冲 形式)时,这些放大器是理想之选。鉴于高压摆率、更大 带宽和快速稳定,高速放大器有助于将检测时间缩短至几微秒。通过将高速放大器用于电机控制应用,您可以进行快速精确 电流测量,以实现新佳 动态电机控制、新小 扭矩波动和新小 可听噪声。传统上,当使用运算放大器测量来自分流电阻器 小差分电压信号时,您需要确保运算放大器具有足够 带宽,以便进行精确 测量,而不会给信号带来误差,从而实现新高 罪魁祸首之一。测量短暂 脉冲可能是一项挑战,但通过使用高速放大器,您可以获得高压摆率和足够 带宽来跟踪输入信号。备选器件建议对于需要具有与OPA四65相似性能但具有更高带宽和压摆率 应用,OPA8四6系列可提供560V/μs 压摆率以及120MHz 增益带宽积。对于需要OPA四65性能但电源范围更高 应用,LMH661x系列可提供新高12.8V 电源。有关更多备选器件。

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