對於馬達控制或電磁閥控制應用中的許多電氣系統而言,惡劣的環境是必須面對的現實。控制馬達和電磁閥的電子裝置必須非常接近所使用的高電流和電壓,才能產生終端應用所需的實體運動。

除了近距離外,這些系統常常會進行維修(例如,雇用技術人員更改洗碗機電磁閥的控制器板),這可能會留下無心的接線錯誤。接近高電流和電壓,加上接線不當的可能性,使得進行設計時必須考慮過壓保護。

為了建構高效且安全的系統,必須使用精密電流檢測放大器來監控這些應用中的電流。精密的放大器電路設計需要防止過壓影響,但這種保護電路可能會影響放大器的精確度。

適當地電路設計、分析與驗證,可以在保護和精確度之間達成平衡。本文討論兩種常見的保護電路,以及這些電路的建置如何影響電流檢測放大器的精確度。

電流檢測放大器

大部份的電流檢測放大器可處理高共模電壓(CMV),但高差分輸入電壓則否。在某些應用中,存在分流器的差分輸入電壓超過放大器的額定最大電壓的情況。這在工業和汽車電磁閥控制應用(圖1)中很常見,其短路可能導致故障,使電流檢測放大器暴露於高差分輸入電壓(可能達到與電池相同電位)之下。這種差分過壓可能損壞放大器,尤其是在沒有保護電路的情況。

20170217 ADI TA31P1 圖1:電磁閥控制應用中的高側電流檢測

過電壓保護電路

圖2顯示電流檢測放大器的過電壓保護基本連接。當差分輸入電壓超過指定放大器的最大額定值時,放大器就可能開始將電流拉進內部保護二極體。若輸入接腳之間存在大差分電壓訊號,則額外的串聯電阻R1和R2可防止大電流流入內部保護二極體。

20170217 ADI TA31P2 圖2:基本的過電壓保護電路

保護電路能夠承受的最大額定電壓和最大輸入電流隨元件而異。一般經驗法則是,流過內部差分保護二極體的電流應以3mA為限,除非規格表指明可接受更大的電流值。將該值代入等式1,即可計算R1和R2的值:

20170217 ADI TA31F1 其中,VIN_MAX是預計最大差分電壓 VRATED_MAX是最大額定電壓(0.7 V) R是總串聯電阻(R1+R2)

例如,假設預計最大瞬態輸入電壓為10V,則等式為:

20170217 ADI TA31F2 如果R=3.1kΩ,則根據等式1,R1和R2=1.55kΩ。

R1和R2的數值非常大,相對於特定放大器的輸入阻抗,R1和R2可能對總系統性能帶來較大誤差。

降低R1和R2的一種方法是在輸入接腳增加具有更高電流能力的外部保護二極體,如圖3所示。

20170217 ADI TA31P3 圖3:具有外部輸入差分保護二極體的過電壓保護電路:例如使用Digi-Key B0520LW-7-F蕭特基二極體時,可處理高達500mA正向電流,R值降低至20Ω

系統性能的權衡

在放大器輸入端加入串聯電阻,可能降低某些性能參數。在一些放大器中,R1和R2與內部精密電阻串聯。而在其他放大器中,偏置電流與電阻共同作用產生偏置電壓。更可能受影響的參數是增益誤差、共模抑制比(CMRR)以及偏置電壓。

為了研究串聯電阻的潛在影響,測量了兩款電流檢測放大器,其輸入接腳均配置了保護電阻。用於評估增益誤差、CMRR和偏置電壓的測試設置如圖4所示。該設置採用Keysight E3631A三輸出電源供應器提供5V單電源、Yokogawa GS200精密直流(DC)電源產生差分輸入電壓訊號、HAMEG HMP4030可編程DC電源設置CMV,並且採用Keysight 3458A數位萬用電錶(DMM)測量電流檢測放大器的輸出電壓。

20170217 ADI TA31P4 圖4:評估增益誤差、CMRR和偏置電壓的測試設置:評估AD8210和AD8418元件,測量額外串聯電阻對元件增益誤差、CMRR和偏置電壓參數的影響

增益誤差

當串聯電阻與放大器輸入端串聯時,將與放大器的差分輸入阻抗一起構成一個電阻分壓器。該電阻分壓器導入一次衰減後,即出現在電路中成為額外增益誤差。放大器的差分輸入阻抗越低,該額外增益誤差越大。

表1顯示AD8210元件經計算得到的額外增益誤差和實際增益誤差。同樣地,分別於存在保護電路與不帶保護電路的情況下測試AD8418。表2顯示該放大器經計算得到的額外增益誤差和實際增益誤差。

實測結果是,AD8418的增益誤差偏移0.013%,而AD8210偏移0.497%。AD8418和AD8210的輸入阻抗分別是150kΩ和2kΩ,因此,在AD8418導致的誤差遠小於AD8210。

共模抑制比

由於電流檢測放大器經常暴露在高CMV的環境中,因此CMRR是最重要的規格參數之一。CMRR可用於衡量元件抑制高CMV和獲得最優精確度與性能的能力。即放大器的兩個輸入端施加相等電壓時,所測得的輸出電壓變化。CMRR定義為差分增益與共模增益之比,通常以dB表示。

使用以下等式計算兩個放大器的CMRR值:

20170217 ADI TA31F3

其中,ADM為AD8210和AD8418的差分增益(ADM=20)。ACM為共模增益ΔVOUT/ΔVCM。

當串聯電阻與放大器輸入端串聯時,如果串聯電阻不匹配將會增加到內部電阻上,從而影響CMRR。

電流檢測放大器AD8210和AD8418的CMRR測量結果分別如表3和表4所示。

結果顯示,額外外部串聯電阻的影響是AD8418 CMRR降低,而對AD8210 CMRR的影響相對較小。AD8418變為89dB,AD8210則幾乎保持不變(94dB)。對於AD8418和AD8210這兩款固定增益元件而言,其共模阻抗相對較高,分別為750kΩ和5MΩ。

20170217 ADI TA31P5

偏置電壓

當偏置電流流過外部電阻時,會產生一個與元件固有偏置電壓串聯的誤差電壓。為了計算這一額外的偏置電壓誤差,可將輸入偏置電流(IOS,兩個輸入偏置電流之差)乘以輸入接腳上的外部阻抗,如以下等式所示:

20170217 ADI TA31F4 其中,IOS為輸入偏置電流;R為額外外部阻抗。

根據AD8210和AD8418電流檢測放大器測量結果的偏置電壓增加量分別如表5和表6所示。

結果顯示,AD8418偏置電壓的增加量大於AD8210偏置電壓的增加量。這是由AD8418約為100μA的輸入偏置電流引起的。

輸入接腳串聯的任何額外阻抗都會與輸入偏置電流結合,產生額外偏置電壓誤差。

保護是性能提升的關鍵

在輸入接腳上增加額外的串聯電阻,才是保護電流檢測放大器免於過壓影響的簡單之道。測量對於增益誤差、CMRR和偏置電壓等性能指標的影響,直接關係到外部電阻的振幅及其所使用的電流檢測放大器類型。若設計得當,電路會改善應用的差分輸入電壓額定值,而元件數量增加非常有限,對精密度的影響也非常小。