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第42卷第1期

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高端电流检测:差动放大器vs.电流检测放大器

作者:Henri Sino

在电机控制、电磁阀控制以及电源管理(如直流-直流转换器与电池监控)等诸多应用中,高精度的高端电流检测都是必需的。在这种应用中,对高端电流而非回路电流进行监控,可以提高诊断能力,如确定对地短路电流以及连续监控回流二级管电流,避免使用取样电阻,能保持接地的完整性。图1、图2和图3分别给出电磁阀控制及电机控制的典型高端电流取样配置。

图1. 典型电磁阀控制中的高端检测

图2. 典型H桥电机控制中的高端检测

图3. 典型三相电机控制中的高端检测

在上述所有配置中,监控负载电流的取样电阻上的脉宽调制(PWM)共模电压在从地到电源的范围内摆动。利用从电源级到FET的控制信号可以确定这个PWM输入信号的周期、频率和上升/下降时间。因此,监控取样电阻上电压的差分测量电路要求极高共模电压抑制与高压处理能力,以及高增益、高精度和低失调——其目的是为了反映真实的负载电流值。

在使用单一控制FET的电磁阀控制(图1)中,电流始终沿同一方向流动,因此单向电流检测器就足够了。在电机控制配置(图2与图3)中,电机相位进行分流意味着取样电阻中的电流沿着两个方向流动,因此,需要双向电流检测器。

许多半导体供应商都为高端电流检测提供了多种方案,然后研究这类应用的设计工程师发现,这些方案都可以遵循两个截然不同的高压结构来进行分类:电流检测放大器差动放大器

接下来,我们将会详细介绍这两种架构的重要差异,以帮助高端电流检测设计工程师选择最适合应用的器件。我们将比较两个高压器件:AD8206双向差动放大器,AD8210双向电流检测放大器。这两个器件具有相同的引脚,都具备高端电流取样监控功能,但是其性能指标与架构却不同。那么,如何选择合适的器件呢?

它们如何工作
AD8206(图4)是一款集成的高压差动放大器, 通过内置输入电阻网络能够将输入电压削弱至1/16.7,使其能承受高达65 V的共模电压,以使共模电压保持在放大器A1的输入电压范围内。但是,其内部的输入电阻网络也会使差分信号以同样比例衰减。为了实现AD8206的20 V/V增益,放大器A1与A2必须将差分信号放大大约334 V/V。

图4. AD8206内部结构示意图

这个器件通过将输出放大器偏置到电源范围内的适当电压,来实现双向输入测量。电阻分压网络与放大器A2同向输入端连接,外部低阻抗电压施加到精密配置的电阻分压网络,来实现偏置。AD8206的一个优异特性是:当共模电压为-2 V(共模偏置则为250 mV,如图所示)时,它能够正确地放大差分输入电压。

AD8210(图5)是最近推出的一款高压电流检测放大器,功能与AD8210一样,并且引脚兼容。但是,AD8210的工作方式与差动放大器不同, 其性能指标也不同。

图5. AD8210功能示意图

一个明显的区别是输入结构不依靠电阻分压网络来处理高共模电压。输入放大器包括一个采用XFCB IC制作工艺制造的高压晶体管,由于此类晶体管的VCE击穿电压超过65 V,因此输入端的共模电压可以高达65 V。

电流检测放大器如AD8210,采用如下方式放大小差分输入电压。输入端通过R1和R2与差动放大器相连。利用晶体管Q1和Q2,可以调整流过R1和R2的电流,从而使放大器A1输入端的电压为零。当AD8210的输入信号为0 V时,R1和R2中的电流相等。当差分信号非零时,其中一个电阻的电流增加,而另外一个电阻的电流下降。电流差与输入信号大小成比例,极性相同。流过Q1和Q2的差分电流由两个精密调整的电阻转换成以地为参考的差分电压。接着,放大器A2利用低压晶体管——由其5 V(典型值)电源供电——对该电压进行放大,实现最终输出增益达到20。

通常,只有输入共模电压保持在2 V或3 V以上时,这种架构的电流检测放大器才有用。不过,AD8210内部的上拉电路能使放大器A1的输入保持在5 V电源附近,即使输入共模电压下降到5 V以下,或低至–2 V。因此,在共模电压以及器件的5 V电源以下时,可以实现精确的差分输入电压测量。

显而易见,虽然电流检测放大器和差动放大器工作方式不同,却履行同样的功能。差动放大器将高输入电压衰减,使信号达到放大器可以接受的电平。电流检测放大器将差分输入电压转换为电流,然后再转换至以地为参考的电压;其输入放大器因采用高压制作工艺,能承受高共模电压,。毫无疑问,两个架构的不同将导致其性能差异,设计工程师在选择高端电流检测解决方案时必须考虑这些性能差异。通常,厂商的数据手册已提供了大部分信息,可根据精度、速度、功耗及其他参数对器件的类型做出正确判断。然后,器件架构内在的某些重大差异是无法在数据手册中立刻发现的,但这些也是非常重要的设计考虑事宜。下面给出了一些工程师在实现最佳解决方案时必须考虑的关键点。

带宽:由于输入衰减,许多差动放大器的带宽通常为电流检测放大器的1/5。不过,差动放大器较窄的带宽仍足以支持大多数应用。例如,许多电磁阀控制应用的工作频率不足20 kHz,,而电机控制出于噪声考虑,通常必须在20 kHz以上。通常,电磁阀控制检测平均电流,差动放大器的带宽非常适合这种应用。另一方面,对于电机控制来说,瞬时电流非常关键,尤其是测量电机相位时,因此,具有较宽带宽的电流检测器架构将更真实地反映实际电机电流。

共模抑制(CMR):这两种架构之间输入结构的差异还导致CMR性能的不同。差动放大器通常具有精密跟踪精度高达0.01%的输入电阻。在直流电压时,这种匹配程度通常确保80 dB CMR。而电流检测放大器因其晶体管输入结构,可以获得更佳的匹配,因此其CMR不再取决于输入电阻的匹配,通常可以达到100 dB以上,除非共模电压较低。例如, AD8210在输入共模电压低于5 V时,其能提供的CMR值与差动放大器一样,为80 dB。在这个电压范围下,由于其内部存在着上拉电路,输入结构具有电阻性,CMR值与0.01%精密电阻匹配性相关。在整个范围内,电流检测结构将提供更好的共模抑制。

外部输入滤波影响:如果在高端电流检测应用中使用外部滤波,架构影响非常大。输入滤波器的目的是平滑输入噪声和电流尖峰,结构通常如图6所示。

图6. 输入滤波器

不管架构如何,每种放大器内部都有精密调整的输入电阻,任何附加的外部串联电阻都产生失配,从而带来增益误差和CMR误差,其计算公式如下(Rin是指定的放大器输入电阻):

Equation 1

差动放大器的输入阻抗大于100 KΩ。对于AD8206,Rin = 200 kΩ,如果使用200Ω滤波器电阻,额外增益误差将在0.1%以内。假设电阻的公差是1%,这些外部元件带来的共模误差将达–94 dB,但可以忽略不计,因为会淹没在80dB的CMR中。

虽然电流检测放大器具有高得多的共模输入阻抗,为了将差分输入电压转换为电流,其串行输入电阻通常低于5 kΩ。对于AD8210来说,差分输入阻抗Rin = 3.5 kΩ,需对上述公式进行重新计算。在这种情况下,滤波电阻带来的附加增益误差可能高达5.4%!同时,假设外部电阻失配的最差情况,CMR能下降到59 dB。对于最大整体误差低于2%的器件性能来说,这是非常大的影响。

因此,在电流检测架构中引入输入滤波器要非常谨慎。当内置电阻在5 kΩ以下时,应当使用阻值低于10 Ω的滤波器电阻,这将确保电流检测放大器的原始高精度。如上所示,差动放大器可采用的输入滤波电阻阻值范围较宽,因为其内部的高阻值输入电阻网络受外部失配的影响较小。

输入过驱动:在高端电流检测应用中,设计工程师必须认真考虑可能使放大器工作在指定范围以外的潜在事件。在典型应用中,虽然流经取样电阻的负载电流仅数百毫伏,但放大器的输入结构不同,在输入电压为若干伏特的故障情况下,器件是否还能正常工作?在这种情况下,差动放大器架构具有更强的鲁棒性,一旦系统次序后退,更可能继续如期地履行功能。输入电阻网络可以简单的将电流流向接地端;在65 V时,AD8206的输入端阻抗是200 kΩ,则流向接地端的电流是325 µA。

如果使用电流检测放大器架构,设计人员必须考虑这种潜在问题。在第一个例子情况下,当输入电压大幅摆动时,像AD8210这样的放大器是无法正常工作的。这种类型的放大器输入端通常包含静电放电(ESD)保护二极管。利用大于0.7 V的电压差,可以对这个二极管进行正向偏压。这个二极管的实际断点是变化的,但大的差分电压(如来自汽车电源)由于过压,通常会给放大器带来损害。

负压保护:在许多情况下,必须保护电流检测器免受反向电源电压的损坏,尤其是在汽车应用中。差动放大器的电阻桥输入可能是重要因素。不过,设计工程师必须核对器件的绝对额定值,以确保输入ESD二极管仅在较大负压下导通。

不过,在这种情况下,电流检测架构并不是最优的,因为输入放大器及其相应的输入晶体管将直接与大的负压相连。因为输入信号不应当受大的输入负直流电压的影响,因此,电流检测放大器的输入ESD二极管通常设计成仅在指定输入电压范围的低端以外导通。

除了直流负压,这种电流检测器还容易受到负的输入瞬态负流的影响。在PWM系统中这是一种常见情况,其中电流取样检测器随着内部FET开关导通与关断,其输入共模电压从地到电源电压之间摆动。同样,也必须认真考虑最大绝对额定值,这些值主要由放大器输入ESD二极管决定。和以前一样,差动放大器受到高输入电阻的保护,从本质上讲是阻止负的瞬态电流进入;因此ESD二极管通常设计为能够钳位大的负电压。但是,当采用电流检测架构时,在每个短路瞬间,负瞬态电流能启动输入ESD保护,而通常的设计是:当输入电压接近放大器输入共模额定值时,启动输入ESD保护。虽然这种大小的脉冲一般不会损坏AD8210放大器ESD单元,但这方面的性能因器件不同而异。为了确保不会出现错误,在实际系统中应当对这个参数进行测试。

输入偏置电流:在电源管理非常重要以及必须考虑少量泄漏的应用中,两种架构中的不同输入结构都要求考虑输入偏置电流。例如,在电池电流检测系统中,两个架构都可以监控高端电流。不过,当系统关断且电流检控器的电源关断时,虽然输入仍然与电池相连,差动放大器(如AD8206)内部电阻网络中的固有接地线路将需要偏置电流,以持续耗尽电池电流。另一方面,由于输入共模阻抗非常高(AD8210输入共模阻抗>5 MΩ),采用电流检测架构的放大器不会耗尽电池,因为在输入到接地的路径中几乎没有电流。

结论
在汽车、电信、消费电子和工业应用中,高端电流检测是一种广泛的需求。现在市场上销售的集成高压差动放大器和电流检测放大器都可以实现这种功能。根据应用中的精度和性能要求,系统工程师需要认真考虑哪种类型的电流检测器最适合其系统。下表概括出典型考虑因素。

两种类型的电流检测器都可以工作,但不同架构的优势却取决于截然不同的指标折衷。对于瞬态电流监控,宽带宽的电流检测放大器最适合,但差动放大器更适合监控平均电流。此外,电流检测放大器具有最小的输入电源关断偏置电流泄漏,因此非常适合对电流消耗敏感的电源管理应用。不过,采用外部滤波器时,高端电流检测放大器的输入结构可能限制性能并要求仔细检查,以确保在恶劣应用环境使用时不超过绝对输入额定值。

特性
电流检测放大器
差动放大器
最适合监控...
瞬间电流
平均电流
输入CMR (DC)
>100 dB
80 dB左右
输入CMR (PWM)
80 dB左右
80 dB左右
“关断”时输入偏置电流消耗
极低
在输入电阻分压连续泄漏
外部滤波器
主要“后置”
“前置”或“后置”
输入压力影响
需要认真考虑外部压力
典型鲁棒性

 

作者
Henri Sino [henri.sino@analog.com] 是位于马萨诸塞州威明顿市的ADI公司集成放大器产品部门(IAP)应用工程师。Henri从伍斯特理工学院获得电机工程学士学位后加入ADI,至今已工作四年,在此期间,Henri主要负责汽车市场的产品支持。
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