如何將低電壓精密運算放大器的性能擴展到高電壓的高側(cè)電流檢測應(yīng)用

前言

支持?jǐn)U展共模電壓的專用設(shè)備通常用于高側(cè)電流檢測。但是專用設(shè)備有自己的局限性。當(dāng)共模電壓超過100V，會是什么情況呢？是否還能夠精確測量電流？經(jīng)典的5V運算放大器似乎完全不適合這種測量。但是只需幾個外部元件，我們將發(fā)現(xiàn)低電壓放大器絕對適合在沒有任何共模電壓限制的情況下準(zhǔn)確地檢測電流。

原理圖和描述

該應(yīng)用的主要目標(biāo)是測量一種采用150V電壓的工業(yè)電機控制的電流；如圖1所示，這要歸功于分流電阻。為精確測量低電流，使用了5V精密運算放大器。

圖1：典型應(yīng)用

150V輸入會不會燒壞運算放大器？如果V1電壓被用于產(chǎn)生第一個運算放大器OP_A的正極電源（Vcc_H），則不會。

如果我們使用擊穿電壓為4.7V的齊納二極管（BZT52C4V7S），那么就產(chǎn)生了OP_A的負(fù)極電源（Vcc_L）。在這種情況下，OP_A的電壓為4.7V，從Vcc_L=145.3V到Vcc_H=150V。

電阻Rz用于偏置二極管（~5mA）并為運算放大器的偏置電流（~40μA）提供回路。

電壓Vsense是電流流經(jīng)Rsense的結(jié)果，并且被R1、R2、R3和R4電阻放大。

P-MOSFET（BSP2220）產(chǎn)生的精確輸出電流與流入Rsense的電流成正比，而與電阻R4產(chǎn)生的相對于接地的電壓Vo與高側(cè)電流成正比。第一級電壓輸出可以由等式1給出：

（1）

第二個運算放大器OP_B對于緩沖Vo電壓是必要的。添加電阻R5是為了保護OP_B固有的防靜電二極管免遭啟動時可能流入輸入引腳的高電流破壞。

電機控制消耗的最大電流是100A。所以有100μΩ的分流電阻后，最大的Vsense是10mV。最大輸出電壓取決于Vsense電壓，以及流經(jīng)R4的輸出電流。而且因為由微控制器的ADC進行處理，所以該最大輸出電壓Vo的值不能超過3.3V。

為使系統(tǒng)正常工作，必須仔細(xì)選擇組件的值。主要目標(biāo)是與低的|Vgs| 一起確保OP_A的輸出不會飽和。

因為保持低電流Ids比較有用，我們?yōu)?/span>R4選擇了高值。

為了避免運算放大器的輸出飽和，R2/R1比值給出的與運算放大器OP_A有關(guān)的增益應(yīng)該不會太高。

我們必須在選擇組件的值時進行折衷，這些值必須遵循等式2：

（2）

·其中的Vgmax是在晶體管中產(chǎn)生電流所需的Vgs

·此外Vzener=Vcc_H - Vcc_L

現(xiàn)在讓我們看看該系統(tǒng)的精密度。不準(zhǔn)確主要是由于電阻不匹配和放大器偏移。

誤差分析

電阻不匹配的影響

假設(shè)所用電阻是完全匹配的，則等式1給出了輸出電壓的結(jié)果。不幸的是，事實并非如此，因為電阻有自己的精密度。

由于電阻不匹配而產(chǎn)生的增益誤差由以下公式給出：

（3）

• 其中的是任意電阻的精密度，而εRshunt是分流電阻的準(zhǔn)確度。

從等式3中，我們可以看到電阻R2對誤差的影響超過其他電阻。所以選擇該電阻的值時必須盡可能低（10kΩ）。還請注意：為實現(xiàn)增益，R1和R3之和應(yīng)該較高且不平衡，而R1的值非常低是為了抑制噪聲。

Vio的影響

必須考慮另一個誤差：輸入電壓偏移。在該應(yīng)用中，我們選擇的是TSZ121（斬波放大器），因為它的Vio非常低，在溫度變化的情況下只有8μV。特別是測量非常小的電流時，該誤差變得很明顯。

考慮到傳遞函數(shù)，Vio可以用以下公式表示：

（4）

其中的Vio1是第一個運算放大器（OP_A）的輸入偏移，而Vio2是第二個運算放大器（OP1_ B）的輸入偏移。因為TSZ121輸入偏移電壓非常低，所以Vio2可以忽略不計。

總誤差

為了解輸出的總誤差，我們增加了電阻的不匹配和運算放大器的偏移量。最后，輸出電壓可以用等式5表示：

（5）

圖2和圖3中的圖表表示預(yù)計的最大誤差隨溫度而變化的情況，考慮分流精確度。

結(jié)論

專用放大器通常用于進行高側(cè)電流傳感測量。但是在共模電壓高于70V的應(yīng)用中，我們已經(jīng)注意到應(yīng)該使用傳統(tǒng)的5V運算放大器來完成這種測量。

我們已經(jīng)證明了檢測高側(cè)電流時可以使用TSZ121放大器這樣的精密運算放大器，加上一個齊納二極管可以工作于5V范圍內(nèi)和電平移位晶體管。

我們已經(jīng)將電阻和放大器引起的誤差考慮在內(nèi)。為提高電流測量的準(zhǔn)確度，我們建議使用精密度為0.1%的電阻。

感謝您對本次內(nèi)容的關(guān)注