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使用集成雙向電流檢測(cè)放大器實(shí)現(xiàn)有效的電流監(jiān)控

發(fā)布時(shí)間:2022-01-14 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】越來(lái)越多的應(yīng)用需要快速準(zhǔn)確地進(jìn)行電流監(jiān)控,包括自動(dòng)駕駛汽車、工廠自動(dòng)化和機(jī)器人技術(shù)、通信、服務(wù)器電源管理、D 類音頻放大器和醫(yī)療系統(tǒng)。在許多這樣的應(yīng)用中,都要求進(jìn)行雙向電流檢測(cè),而且需要以很小的成本有效地實(shí)現(xiàn)這一a目的。


越來(lái)越多的應(yīng)用需要快速準(zhǔn)確地進(jìn)行電流監(jiān)控,包括自動(dòng)駕駛汽車、工廠自動(dòng)化和機(jī)器人技術(shù)、通信、服務(wù)器電源管理、D 類音頻放大器和醫(yī)療系統(tǒng)。在許多這樣的應(yīng)用中,都要求進(jìn)行雙向電流檢測(cè),而且需要以很小的成本有效地實(shí)現(xiàn)這一a目的。


雖然可以使用一對(duì)單向電流檢測(cè)放大器 (CSA) 構(gòu)建一個(gè)雙向電流檢測(cè)放大器 (CSA),但構(gòu)建過(guò)程可能復(fù)雜、耗時(shí)。該過(guò)程會(huì)涉及到將兩個(gè)輸出合并成一個(gè)單端輸出的獨(dú)立軌至軌運(yùn)算放大器,或者在微控制器上使用兩個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 輸入,后者需要額外的微控制器編碼和機(jī)器周期。很后,使用兩個(gè)單向 CSA 構(gòu)建雙向 CSA——再加上將其整合為雙向解決方案所需的額外部件,這將消耗更多的電路板空間,而更多的器件會(huì)降低可靠性,增大庫(kù)存需求。很終可能導(dǎo)致成本和設(shè)計(jì)進(jìn)度雙雙超出預(yù)期。


為避免上述情況發(fā)生,設(shè)計(jì)人員可以采用集成、高速、jing確的雙向 CSA。設(shè)計(jì)人員可以選擇帶有內(nèi)部低電感分流電阻的集成雙向 CSA 構(gòu)成很緊湊的解決方案,或者選擇使用外部分流器的 CSA 實(shí)現(xiàn)更靈活的設(shè)計(jì)和布局。


本文將回顧雙向 CSA 的實(shí)施要求和更高集成度方法的優(yōu)勢(shì)。然后以來(lái)自 STMicroelectronics、Texas Instruments, 和 Analog Devices 的器件為例進(jìn)行詳細(xì)介紹,其中包括各器件的關(guān)鍵參數(shù)和各自的不同特征。很后,本文將展示如何使用這些器件開(kāi)始設(shè)計(jì),包括相關(guān)的參考設(shè)計(jì)/評(píng)估套件/開(kāi)發(fā)套件,以及設(shè)計(jì)和實(shí)施技巧。


如何使用兩個(gè)單向 CSA


雙向 CSA 電路可以用兩個(gè)單向 CSA 以多種方式構(gòu)建(圖 1)。左側(cè)示例中使用的 Analog Devices MAX4172ESA T 不含內(nèi)部負(fù)載電阻,因此使用分立器件 Ra 和 Rb。在右側(cè)示例中,MAX4173TEUT T 內(nèi)含一個(gè) 12 kΩ 負(fù)載電阻,可將其電流輸出轉(zhuǎn)換成電壓。


外部負(fù)載電阻圖(左),或具有內(nèi)部負(fù)載電阻的圖(右)(點(diǎn)擊放大)。


使用集成雙向電流檢測(cè)放大器實(shí)現(xiàn)有效的電流監(jiān)控

圖 1:可通過(guò)使用外部負(fù)載電阻或內(nèi)部負(fù)載電阻(右)的方式實(shí)現(xiàn)由兩個(gè)單向電流檢測(cè)放大器構(gòu)成的雙向電流檢測(cè)應(yīng)用。(圖片來(lái)源:Analog Devices)


雖然不需要兩個(gè)負(fù)載電阻,但 MAX4173TEUT T 電路的反饋中增加了一個(gè) 1 nF 電容,以穩(wěn)定 B 部分的控制回路。在這兩種情況下,使用 MAX4230AXK T 通用運(yùn)算放大器將來(lái)自兩個(gè) CSA 的輸出電流合并。


這兩種方法的零件數(shù)都高于使用單一雙向 CSA 時(shí)的零件數(shù)量。除了零件數(shù)量較多外,由于兩個(gè)單向 CSA 需要放置在靠近 VSENSE 電阻的地方,會(huì)導(dǎo)致 PC 板布局更加復(fù)雜。


使用雙向 CSA 的應(yīng)用實(shí)例


雙向 CSA 是多功能器件,應(yīng)用廣泛。例如,在三相伺服電機(jī)系統(tǒng)中,可使用兩個(gè) CSA 來(lái)確定所有三相的瞬時(shí)繞組電流,而不需要進(jìn)行任何進(jìn)一步計(jì)算,也不需要任何有關(guān)脈寬調(diào)制 (PWM) 脈沖相位或占空比的信息(圖 2)。


兩個(gè)雙向 CSA 可連接相位 1 (RSENSEΦ1) 和相位 2 (RSENSEΦ2)的檢測(cè)電阻的圖(點(diǎn)擊放大)。


使用集成雙向電流檢測(cè)放大器實(shí)現(xiàn)有效的電流監(jiān)控

圖 2:在三相伺服電機(jī)應(yīng)用中,兩個(gè)雙向 CSA 可以連接相位 1 (RSENSEΦ1) 和相位 2 (RSENSEΦ2)的檢測(cè)電阻,以產(chǎn)生可以代表第三相繞組中的電流的電壓。(圖片來(lái)源:Analog Devices)


根據(jù)基爾霍夫定律,前兩個(gè)繞組的電流之和等于第三個(gè)繞組的電流。該電路使用兩個(gè) MAX40056TAUA  雙向 CSA 來(lái)測(cè)量?jī)上嚯娏?,并?MAX44290ANT T 通用運(yùn)算放大器進(jìn)行電流求和。由于所有三個(gè)放大器都有相同的參考電壓,因此產(chǎn)生了比率測(cè)量法。


在另一個(gè)示例中,一個(gè) D 類音頻放大器,一個(gè)雙向 CSA,如 Texas Instruments 的 INA253A1IPW 可以用來(lái)準(zhǔn)確測(cè)量揚(yáng)聲器的負(fù)載電流(圖 3)。


Texas Instruments 的雙向 CSA (INA253) 的圖(點(diǎn)擊放大)


使用集成雙向電流檢測(cè)放大器實(shí)現(xiàn)有效的電流監(jiān)控

圖 3:在 D 類音頻設(shè)計(jì)中,可使用雙向 CSA (INA253) 對(duì)揚(yáng)聲器進(jìn)行增強(qiáng)和診斷。(圖片來(lái)源:Texas Instruments)


揚(yáng)聲器負(fù)載電流的實(shí)時(shí)測(cè)量值可用于診斷,并通過(guò)量化關(guān)鍵的揚(yáng)聲器參數(shù)和這些參數(shù)的變化對(duì)放大器進(jìn)行性能優(yōu)化,具體包括:


線圈電阻

揚(yáng)聲器阻抗

共振頻率和共振頻率下的峰值阻抗

揚(yáng)聲器的實(shí)時(shí)環(huán)境溫度

電路板布局技巧和分流器注意事項(xiàng)


在實(shí)施電流檢測(cè)電路時(shí),寄生電阻和電感是值得關(guān)注的問(wèn)題。此外,過(guò)度焊接和寄生電阻也會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)錯(cuò)誤。通常使用四端子電流檢測(cè)電阻。如果不選擇四端子電阻,則應(yīng)使用開(kāi)爾文 pc 板布局技術(shù)(圖 4)。


開(kāi)爾文檢測(cè)跡線應(yīng)靠近焊接接觸焊盤


使用集成雙向電流檢測(cè)放大器實(shí)現(xiàn)有效的電流監(jiān)控

圖 4:開(kāi)爾文檢測(cè)跡線應(yīng)盡可能靠近電流檢測(cè)電阻上的焊接接觸焊盤。(圖片來(lái)源:Analog Devices)


將開(kāi)爾文檢測(cè)跡線置于盡可能靠近電流檢測(cè)電阻的焊接接觸點(diǎn)的位置會(huì)很大限度地減少寄生電阻。開(kāi)爾文檢測(cè)跡線的間距越大,就越會(huì)出現(xiàn)由于額外跡線電阻造成的測(cè)量誤差。


正確選擇檢測(cè)電阻是將寄生電感降至很小的一個(gè)重要方面。由于電壓誤差與負(fù)載電流成正比,因此應(yīng)盡量減少封裝電感。一般來(lái)說(shuō),繞線電阻的電感值很大,標(biāo)準(zhǔn)金屬膜器件的電感值處于中等水平。對(duì)于電流檢測(cè)應(yīng)用,一般推薦使用低電感金屬膜電阻。


分流電阻的值是在動(dòng)態(tài)范圍和功率耗散之間進(jìn)行權(quán)衡的結(jié)果。對(duì)于大電流檢測(cè),建議使用低值分流器,以盡量減少熱耗散 (I?R)。在低電流檢測(cè)中,使用較大的電阻值能夠?qū)⑹д{(diào)電壓對(duì)檢測(cè)電路的影響降至很低。


大多數(shù) CSA 依靠外部分流器測(cè)量電流,但也有一些 CSA 使用內(nèi)部分流器。雖然使用內(nèi)部分流器的設(shè)計(jì)外形更緊湊,器件更少,但需要進(jìn)行一些權(quán)衡,具體包括:由于分流器值預(yù)先確定,所以靈活性較差;相比外部分流器,需要更大的靜態(tài)電流;可測(cè)量的電流大小會(huì)受到內(nèi)部分流器容量的限制。


高電壓精密雙向 CSA


使用 STMicroelectronics 的 TSC2011IST,設(shè)計(jì)人員可以充分發(fā)揮其精密特性,使用低電阻外部分流器,從而很大限度地減少功率耗散(圖 5)。這款雙向 CSA 旨在為數(shù)據(jù)采集、電機(jī)控制、螺線管控制、儀表、測(cè)試和測(cè)量以及過(guò)程控制等應(yīng)用提供jing確的電流測(cè)量。


STMicroelectronics 的 TSC2011IST 包括一個(gè)關(guān)斷引腳 (SHDN) 的圖


使用集成雙向電流檢測(cè)放大器實(shí)現(xiàn)有效的電流監(jiān)控

圖5:TSC2011IST 包括一個(gè)關(guān)斷引腳 (SHDN),可以很大限度地節(jié)能,其工作溫度為 -40 至 125℃。(圖片來(lái)源:STMicroelectronics)


TSC2011IST 的放大器增益為 60 V/V,集成了電磁干擾 (EMI) 濾波器,具有 2 (kV) 人體模型 (HBM) 靜電放電 (ESD) 容限(根據(jù) JEDEC JESD22-A114F 標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定)。TSC2011 可以檢測(cè)到低至 10 mV 的滿量程電壓降,以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定測(cè)量。憑借 750 kHz 增益帶寬積和 7.0 V/?s 壓擺率,該器件確保了高jing確度和快速響應(yīng)。


設(shè)計(jì)人員可以借助 STEVAL-AETKT1V2 評(píng)估板快速上手 TSC2011IST(圖 6)。該器件可以在 -20 V 到  70 V 的寬共模電壓范圍內(nèi)檢測(cè)電流。TSC2011IST 的特點(diǎn):


增益誤差:很大 0.3%

失調(diào)漂移:很大 5 ?V/?C

增益漂移:很大 10 ppm/?C

靜態(tài)電流:關(guān)斷模式下 20 ?A


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STMicroelectronics 的 STEVAL-AETKT1V2 評(píng)估板的圖片

圖6:STEVAL-AETKT1V2 評(píng)估板包括主板和一個(gè)包含 TSC2011IST 的子卡。(圖片來(lái)源:STMicroelectronics)


內(nèi)部雙向分流 CSA


Texas Instruments 的 INA253A1IPW 集成了一個(gè) 2 mΩ、0.1% 低電感分流器,支持高達(dá) 80 V 的共模電壓(圖 7)。INA253A1IPW 為設(shè)計(jì)人員提供了可抑制大 dv/dt 信號(hào)的增強(qiáng)型 PWM 抑制電路,從而實(shí)現(xiàn)了針對(duì)如電機(jī)驅(qū)動(dòng)、螺線管控制等應(yīng)用的連續(xù)、實(shí)時(shí)的電流測(cè)量。內(nèi)部放大器具有精密的零漂移拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),且共模抑制率 (CMRR) 大于 120 dB DC CMRR 和 90dB AC CMRR(50 kHz 時(shí))。


使用集成雙向電流檢測(cè)放大器實(shí)現(xiàn)有效的電流監(jiān)控

Texas Instruments 的 INA253A1IPW 雙向 CSA 的圖片

圖7:典型應(yīng)用中的 INA253A1IPW 雙向 CSA。該器件具有內(nèi)部分流器,可在 -40 至  85?C 的溫度范圍內(nèi)測(cè)量 ?15 A 連續(xù)電流。(圖片來(lái)源:Texas Instruments)


通過(guò)使用相關(guān)的 INA253EVM 評(píng)估板上的測(cè)試點(diǎn)訪問(wèn) INA253A1IPW 的功能引腳,設(shè)計(jì)人員就可以加快基于該 CSA 的系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)(圖 8)。這種雙層板的尺寸為 2.4 ? 4.2 英寸,用 1 oz 的銅制作而成。


使用集成雙向電流檢測(cè)放大器實(shí)現(xiàn)有效的電流監(jiān)控

圖8:該雙層 INA253EVM 器件的尺寸為 2.4 ? 4.2 英寸,用 1 oz 的銅制作而成。該器件的底層沒(méi)有任何元件,只是一個(gè)堅(jiān)實(shí)的銅制地平面,用來(lái)為返回電流提供低阻抗路徑。(圖片來(lái)源:Texas Instruments)


該 pc 板上包括了很小的支持電路,并且可以根據(jù)需要重新配置、移除或旁路掉各種功能。INA253EVM 具有以下功能:


三個(gè) INA253A1IPW 器件

所有針腳都易于接觸

在整個(gè) -40 至  85?C 的溫度范圍內(nèi),支持 ?15A 的電流通過(guò) INA253 CSA 的電路板布局和結(jié)構(gòu)

將支座放在 pc 板上,可用于除默認(rèn)配置外的其他配置


該器件的底層沒(méi)有任何元件,只是一個(gè)堅(jiān)實(shí)的銅制地平面,用來(lái)為返回電流提供低阻抗路徑。


獲得 AEC-Q100 認(rèn)可的雙向 CSA


為了監(jiān)測(cè)全橋電機(jī)控制、開(kāi)關(guān)電源、螺線管和電池組以及汽車應(yīng)用中的電流,設(shè)計(jì)人員可使用 Analog Devices 的 LT1999IMS8-20#TRPBF


1-8.jpg

圖9:LT1999IMS8-20#TRPBF 是全橋電樞電流監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的雙向 CSA。(圖片來(lái)源:Analog Devices)


LT1999IMS8-20#TRPBF 符合汽車應(yīng)用的 AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn),包括了一個(gè)關(guān)斷模式,可很大限度地降低功耗。該器件使用外部分流器來(lái)測(cè)量電流的方向和大小。該器件可按比例產(chǎn)生一個(gè)輸出電壓,該值是位于電壓和地之間的參考中間值。設(shè)計(jì)人員可以選擇使用外部電壓來(lái)設(shè)置參考電平。


當(dāng) VSHDN(引腳 8)被驅(qū)動(dòng)至 0.5 V 地電壓時(shí),LT1999IMS8-20#TRPBF 進(jìn)入電流消耗約 3 μA 的低功耗關(guān)斷狀態(tài)。如果輸入引腳( IN 和 -IN)經(jīng)過(guò)偏置后在 0 至 80 V 之內(nèi)(不施加差分電壓),其電流消耗約 1 nA。內(nèi)部 1 階差分低通 EMI 抑制濾波器降低了 EMI 敏感性,有助于消除超出器件帶寬的高頻信號(hào)。


為了方便測(cè)試 LT1999 系列,Analog Devices 提供 1698A 演示板。該板放大了板載電流檢測(cè)電阻器上的電壓降,并產(chǎn)生一個(gè)與流經(jīng)該電阻器的電流成比例的雙向輸出電壓。設(shè)計(jì)人員可選擇三種固定增益:10 V/V (DC1698A-A)、20 V/V (DC1698A-B) 和 50 V/V (DC1698A-C)。


具有 PWM 抑制功能的雙向 CSA


為了在控制諸如螺線管和電機(jī)等感性負(fù)載的設(shè)計(jì)中改善對(duì)共模輸入 PWM 邊沿的抑制,設(shè)計(jì)人員可以使用 MAX40056TAUA (圖 10)。如上文圖 2 中所述,MAX40056TAUA  是雙向 CSA,可以處理 ?500 V/?s 及以上的壓擺率。該器件的典型 CMRR 為 60dB(50 V,?500 V/?s 輸入)和 140 dB DC。其共模范圍從 -0.1 V 到  65 V,并提供針對(duì)低至 -5 V 電感回跳電壓的保護(hù)。


使用集成雙向電流檢測(cè)放大器實(shí)現(xiàn)有效的電流監(jiān)控

Maxim MAX40056TAUA  包括一個(gè)內(nèi)部 1.5 V 參考電壓的圖

圖 10:MAX40056TAUA  包括一個(gè)內(nèi)部 1.5 V 電壓基準(zhǔn)、增強(qiáng)型 PWM 抑制以及一個(gè)用于檢測(cè)正負(fù)過(guò)流條件的內(nèi)部集成窗口比較器(左下方,由 CIP 輸入驅(qū)動(dòng))。(圖片來(lái)源:Analog Devices)


這款 MAX40056TAUA  器件具有內(nèi)部 1.5 V 電壓基準(zhǔn)。該參考電壓有多種用途,具體包括:


驅(qū)動(dòng)差分式模數(shù)轉(zhuǎn)換器

對(duì)輸出進(jìn)行偏移,以顯示檢測(cè)到的電流方向

將電流導(dǎo)入外部負(fù)載,以減輕性能下降的影響


當(dāng)更高的滿量程輸出擺動(dòng)有用或者電源電壓高于 3.3 V 時(shí),設(shè)計(jì)人員可以用更高的外部電壓基準(zhǔn)來(lái)覆蓋內(nèi)部基準(zhǔn)。很后,設(shè)計(jì)人員可以使用內(nèi)部或外部基準(zhǔn)來(lái)設(shè)置閾值,以使集成過(guò)流比較器跳閘,從而提供即時(shí)過(guò)流故障信號(hào)。


用于 MAX40056TAUA  的 MAX40056EVKIT# 評(píng)估套件為設(shè)計(jì)人員提供了一個(gè)成熟的平臺(tái),可用于開(kāi)發(fā)高jing度、高電壓、雙向 CSA 應(yīng)用,如螺線管驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)控制器。


結(jié)論


各種各樣的應(yīng)用都需要進(jìn)行快速、準(zhǔn)確地電流監(jiān)控,包括從自動(dòng)駕駛汽車、工廠自動(dòng)化和機(jī)器人技術(shù),到通信、服務(wù)器電源管理、D 類音頻放大器和醫(yī)療系統(tǒng)的大量應(yīng)用。在許多情況下,都需要雙向電流檢測(cè)。


幸運(yùn)的是,設(shè)計(jì)人員可從各種集成雙向 CSA 及其相關(guān)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)中選擇,以便快速有效地實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的雙向電流監(jiān)測(cè)。


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