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简化电流感应:如何使用电流检测放大器进行设计(三)

—— 第3章:开关系统中的电流检测具有增强型PWM抑制功能的低漂移、精密直列式电机电流测量
作者:Scott Hill, Dennis Hudgins, Arjun Prakash, Greg Hupp, Scott Vestal, Alex Smith, Leaphar Castro, Kevin Zhang, Maka Luo, Raphael Puzio, Kurt Eckles时间:2020-01-18来源:TI(德州仪器)收藏

第1章:电流检测,集成电阻器电流传感器如何简化PCB设计

本文引用地址:http://ewhathow.com/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的情况

第 3 章:开关系统中的电流检测具有增强型PWM抑制功能的低漂移、精密直列式电机电流测量(√)

具有 PWM 抑制功能的高侧驱动、高侧电磁阀监视器

开关电源中的电流模式控制

开关电源电流测量

使用高速增加低侧分流监测的测量带宽

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)连接到单端输入ADC


具有增强型 PWM 抑制功能的低漂移、精密直列式电机电流测量

55155.com_【官方首页】-播发彩票随着提升系统效率的需求不断增长,我们面临着改善电 机工作效率和控制功能的直接压力。几乎所有类型的电机均面临着这种需求压力,包括白色家电、工业驱动器 和汽车应用中使用的电机。为了确保电机以其峰值效率运行,其反馈到控制算法中的运行特性至关重要。相电流是系统控制器使用的这些 重要诊断反馈要素(用于实现最佳的电机性能)之一。

55155.com_【官方首页】-播发彩票由于测量信号具有连续性并与相电流直接相关,因此, 测量电机电流的理想位置应直接与每个相位保持一致,如图 1 所示。测量其他位置(例如每个相位的低侧)的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的数据。

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电机的驱动电路可生成脉宽调制 (PWM) 信号来控制电机的运行。55155.com_【官方首页】-播发彩票这些调制信号使得位置与各电机相位一致的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。完美的能够完全抑制测量的 VCM 分量,仅放大与流经分流电阻器 的电流相对应的差分电压。不幸的是,实际的并不理想,会受到大 PWM 驱动输入电压阶跃的影响。 由于实际的无法进行无限的抑制共模,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的大幅度意外干扰,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。

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此类测量的常用方法是选择带宽较高的电流检测放大器。55155.com_【官方首页】-播发彩票为了保持在可听频率范围之上,典型的调制频率 范围为 20kHz 至 30kHz。用于在这些 PWM 驱动应用 中进行直列式电流测量的放大器选择以信号带宽在 200kHz 至 500kHz 范围内的放大器为目标。以往选择放大器时并不基于显著低于 PWM 信号带宽的实际信号带宽。选择更高的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。

55155.com_【官方首页】-播发彩票INA240 是一款高共模双向电流检测放大器,专为 这些类型的 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的问题。标准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 输出响应的同时降低输出干扰。 图 3 说明了 INA240 输出响应在此内部增强型 PWM 抑 制功能作用下的改进。

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55155.com_【官方首页】-播发彩票对于许多三相应用,有少量与该直列式电流测量精度相关的要求。除了具有快速响应的输出以确保对补偿 回路的充分控制之外,还需要具有有限的输出干扰,以 防止出现错误的过流指示。对于电动助力转向 (EPS) 等 其他系统,必须通过精密电流测量为转矩辅助系统提供 所需的反馈控制。

EPS 系统的主要目标是通过在驾驶员施加于方向盘 上的转矩上增加额外的转矩以帮助转向,同时在转 向响应中提供与驾驶条件相对应的典型 注意事项。在该严格控制的系统中,相间电流测量误差 会变得非常明显。相位之间的任何未加考虑的变化 都会直接导致驾驶员通过方向盘察觉到的扭矩波动增大。

减少测量误差,尤其是温度引发的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。 常用的系统级校准能够不断降低室温下对于放大器性 能的依赖性,从而实现精确的测量。

然而,随着运行温度的不断变化,考虑参数漂移(如 输入偏移电压和增益误差)更具挑战性。55155.com_【官方首页】-播发彩票良好的温度 补偿方案基于放大器在整个温度范围内的性能 变化特征,并依赖于系统间对外部条件的一致且可重复的响应。对于降低对复杂补偿方法的需求而言,在将温 度引起的偏移降至最低的情况下提高放大器保持稳定的 能力是一种理想选择。

INA240 在室温下具有 25μV 的最大输入失调电压和 0.20% 的最大增益误差规格。对于要求温度稳定测量 的应用,该器件的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 的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(这一点最重要)融合在一起,非常适合需要精确可靠的测量以实现精确控制性能的 PW M 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,这些电压的 变化速度不会像 PWM 驱动应用的典型变化速度那样 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 放大器的输入电压范围中包含接地的高共模电压。

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具有 PWM 抑制功能的高侧驱动、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的铁质材料(称为电枢或栓塞)上制成。通过线圈的电流产生 磁场,使电枢在固定范围内移动。图1是机电电磁阀的图示。

您通常会在简单的开/关应用(例如仅需要两种工作状态的继电器)中找到电磁阀,电磁阀也用于电流与电枢 的位置成正比的线性操作。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 应用的设备。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。

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存在多种用于连接和驱动电磁阀的配置。一种常见的方 法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。这种配置的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。

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图2中所示的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的共模电压。 当高侧开 关接通时,电磁阀由从电池流出的电流供电。高侧开关 的占空比决定 流经电磁阀的电流,该电流又相应地控制柱塞的行程。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的电压降至接地电压以下。

电磁阀和阀具有很高的电感。电磁阀的有效阻抗可简化为电阻和电感。线圈使用铜(4,000ppm/°C)制造,有 效电阻随电磁阀的类型而异,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 的电感均介于 1mH 和 10mH 之间。 图 3 显示了 25°C 和 125°C 时开环模式下电磁阀 驱动器的电流曲线。在 100°C 的环境温度升高幅度 下(无铜 电阻补偿),柱塞行程精度约为 40%。电磁阀电流直 接控制栓塞的行程。如果环境温度发生变化,则栓塞的 行程随之改变,这将影响压力、液体或空气调节等输出控制。

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通过测量电磁阀和阀应用中的电流,可以检测电磁阀工作特性的变化。通过电流测量,可以利用老化的电磁阀 的磁场减小 在有故障的组件失灵之前识别这些组件。在开环电 磁阀控制系统中,有效阻抗的变化会在铜绕组温度上升 100°C 时发生 40% 的漂移。电流 控制反馈环路中使用的电流测量可以将电磁阀在整个温度范围内的阻抗变化从 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 的大共模电压。INA240 采用可抑制 dv/dt 信 号的电路,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,从而能够以较低的占空比实现精确的 PWM 电流测量。 

该器件的低失调电压、漂移、增益和 400kHz 的高带宽可实现精确的直列式电流测量。需要精确控制液体、空气和压力的阀应用将受益于电流测量期间的精 度和温度稳定性。

备选器件建议

如果您需要较低的负共模电压,请考虑 INA193。该器件 -16V 的输入范围能够在电磁阀跳变电压较高时 提供充足的裕量。不过,INA193 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的响应。

对于需要更高信号带宽和低输入失调电压漂移的应用,LMP8640HV 是另一款能够满足高侧驱动配置要求 的电流检测放大器。

LMP8278Q-Q1 符合汽车电子委员会 (AEC)-Q100 标准,可在 -40°C 至 +125°C 的环境温度范围内保证器件规格。在采用范围为 -2V 至 +40V的共模电压时,您可以在需要精确控制底盘中的电磁阀的动力系统应用中使用 LMP8278。

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开关电源中的电流模式控制

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的电源。反馈方法选项分为两大类:电压模式控制 (VMC) 和电流模式控制 (CMC)。这 两种方法各有优点和缺点,我们可以根据它们的优缺点来确定适合终端设备应用的选择。

控制方法

VMC将经调节的输出电压值用作反馈信号。该方法为控制路径提供了简单直接的反馈架构,但确实存在一些缺点。最大的缺点是输出电压调节需要首先检测到输出电压的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的 补偿。

对于需要高水平调节的系统而言,这可能会产生慢 得无法接受的响应。全新 反馈补偿需要较高级别的分析,以解决输出低通滤波 器导致的两个极点。此外,还必须对反馈组件值进行调节,因为不同的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 的不足。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。额外增加的反馈环路很有可能会增加电路/反馈的复杂性,因此,作为设计要求的一部分,您需要评估其优点。

通过将电感器电流用作反馈控制的一部分:

• 与仅将输出电压用于反馈控制相比,附加的电流 反馈环路响应更快。此外,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的多个电源之间进行负载共享。

• 可以将控制环路中的电感器影响降至最低,因为电流反馈环路能够有效地降低对单极补偿的要求。 

尽管CMC可解决VMC的某些缺点,但它也会带来可能影响电路性能的挑战。增加电流反馈环路会增加控制/反馈电路和电路分析的复杂性。选择 CMC 时, 您需要考虑的其他因素包括整个占空比范围内的稳定 性和对噪声信号的敏感性。CMC可以分为多种不同类 型的控制方案: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最常用的方法: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) 生成比较器中的斜坡波形,而不是像 VMC 那样使用外部生成的锯齿或 三角信号。电感器电流或高侧晶体管电流波形的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 的输出进行比较可以为电源生成 PWM 控制信号。

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开关电源可在输入和输出电源轨之间提供高级别的效率。为了保持高转换器效率,用于测量电感器电流的检测电阻器应尽可能小,以降低测量导致的功率损耗。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 压瞬态的影响,这是众所周知的。在使用 INA240 等具有高共模抑制比 (CMRR) 的电流检测放大 器可抑制与 PWM 信号和系统相关联的瞬态。 凭借 IN A240 的增益灵活性,可以对电感器电流波形进行放大,以便为比较提供更大的信号,而无需额外的增益或牺牲性能。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% 时的稳定 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的增益和集成级,然后再将信号与外部提供的斜坡波形进行比较(与 VMC 类似)。这可以提高防噪性能并且无需斜坡补偿。图 2 显示了降压转换器的平均CMC运行方框图。

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使用平均CMC可以通过INA240的高CMRR将峰值CMC的噪声敏感性提高到可接受的性能水平,从而有助于进一步降低瞬态。需要利用 INA240 的高共模范围来进行 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 的高精度和低漂移规格可在不同 的温度和组件上提供一致的测量。

INA240 为测量精度提供必要的性能和功能,以保持良好的信号完整性控制。INA240 在室温下具有 25μV的最大输入失调电压和 0.20% 的最大增益误差规格。温度稳定性对维持系统性能而言非常重要,I NA240 可提供 250nV/°C 的输入失调电压漂移和 2.5pp m/°C 的放大器增益漂移。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的 性能,从而适应最大的电源输出电压变化。

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 信号的高电压直流应用的理想之选。 LMP8481 是一款双向电流检测放大器,适用于不要求放大器的输入电压范围包括接地的高共模电压应用。

开关电源电流测量有多种不同的可以满足系统电源要求的开关电源拓扑。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/交流开关转换器可以将直流输入电 压转换为交流输出电压。

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的输出电平。在尝试精确测量电流波形时,这些转换器的开关 性质带来了挑战。在选择电流检测放大器时,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

电路架构中的每个节点具有不同的共模电压和行为。 在其中的每个位置测量电流时,需要在测量电路中考 虑的特性各不相同。 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的低通滤波器的基本电路。 未显示控制电路、输出级驱动器和负载。

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节点 1 的电压取决于转换器的输入电源。这是转换器将 “降压”到较低输出电压的高电压。在该节点上进行的电流测量将测量流经半 H 桥的高侧器件的电流,主要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的性能要能满足测量小差分电压的要求。

节点2是半H桥的中点,它显示了开关电源所基于的脉宽调制 (PWM) 信号。在该位置进行的电流 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)之间进行的转换求平均值,以生成正确的输出电压。

节点2的电压将具有急剧的共模转换,因此在此处进行的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的瞬态。节点 3 的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的直流电压电平。在该位置进行的测量 将具有与节点 1 类似的要求,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 3 的电压低于节点 1 的电压,但所需的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 的电压依赖于电路的接地端。该节点将看到较低的、接近于接地的共模电平,因此,与前面提到的位置相比,在该位置进行的测量具有一系列更低的要求。其他直流/直流开关架构具有与上述节点类似的行为,不过它们可能处于转换器电路中的不同位置。

测量漂移要求

开关电源是用于实现电压电平转换的高效电路,但转换中仍存在功率损耗。这些功率损耗是表现为发热的系统 效率损失。根据转换器的功率级别,这可能会成为相当 大的热源。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 提供了不同的增益版本,从而减小电流检测电 阻器的值。

传统放大器的性能可能会随着放大器增益的增大而显著下降。通过之下,INA240 的所有增益版本均具有出色的电气规格, 可以在不同的增益型号上实现高性能水平。 表 1 比较了不同增益之间的功率耗散。

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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 好调节的电源。为了提供优化的反馈控制,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 控制系统的调节功能。根据系统要求和预期的电路复杂性,可以使用不同的反馈方法。

此外,系统电源监控是一项不断增长的需求,因为设计会优化并报告终端设备不同工作模式期间的功耗。 电压模式反馈将调节版本的输出电压与基准电压进行比较,以获取误差电压。该反馈方法相对简单, 但提供的反馈较慢,因为系统必须允许输出电压变化才能进行调节。针对电压模式反馈的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的最重要的电流放大器标准是转换器的共模输出电压。这些 转换器上的输出电压范围广泛,涵盖用于微处理器和低 电压数字电路的低电压(1.8V 至 5V)到用于 48V 或 更高电压系统的高电压。经过滤波器之后的输出波形可 能仍包含可能会干扰测量或导致测量出现误差的噪声/ 瞬态。

电流模式反馈向使用系统电流的控制系统添加了反馈环路。通常使用的电流是转换器中的电感器电流(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的内部环路。一般而言,电流模式反馈的一个缺点是容 易受信号上噪声/瞬态的影响。 

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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,因此信号上的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 弱输入信号导致的任何潜在干扰或噪声。

备选器件建议

对于所需的性能水平低于INA240的应用,请使用INA193系列。

LMP8481是一款双向电流检测放大器,适用于不要求放大器的输入电压范围中包含接地的高共模电压。

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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的需求是过流保护、更快的反馈控制环路、精确的电池和电源监测所需的一项关键应用。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的检测电阻器上的电压。以分立 方式实现低侧电流监测的一种常见方法是在差分配置 中使用电流检测放大器,如图1所示。

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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的应用中,这些器 件往往缺乏在单个增益级中准确复制脉冲所需的足够带宽。

一种可能的解决方案是使用多个具有较低带宽器件的增益级,从而增加组件的数量并且可能增大检测电阻以便 使用较小的增益。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 的增益带宽,从而可以使用单个具有小型检测电阻器的高增益级。

对于电流检测应用,您需要选择具有低偏移和噪声的放大器,以免降低低电压测量的精度。 考虑广泛使用的运算放大器,例如 OPA365。该器件的最大输入失调电压为 200μV,输入电压噪声在 100kHz 时 为 4.5nV/√Hz。OPA365 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,保持较低的检测电阻器值,并通过单个器件驱动模数转换器 (ADC)。

选择正确的放大器可简化可能导致系统损坏或降低电机和伺服效率的高电流尖峰检测,同时最大限度地提高系统效率。与传统方法相比,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, 短暂的脉冲可能会被忽视,从而导致干扰或系统的其余 部分受到潜在损坏。

图2显示,对于增益为50的1μs 短暂脉冲输入,OPA354 能够达到 3V 的输出并且能够以比 400kHz 仪表放大器或 20MHz 带宽运算放大器高得多的相似度复制 原始输入信号。通过查看图 3 可知,以增益 50 引入 100nA 的输入脉冲,OPA354 的输出响应具有比 INA 和 低带宽器件的输出响应高得多的相似度。

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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的负相电压。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 以实现最高的系统性能。在三相逆变器等 应用中,您需要在最大的输出 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 的压摆率和小于 0.5μs 的快速建 立时间,因此,当输入阶跃变化导致很高的输出电压变化率(表现为短电流脉冲的形式)时,这些放大器是理想之选。

鉴于高压摆率、更大的带宽和快速稳定,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的电流测量,以实现最佳的动态电机控制、最小的扭矩波动和最小的可听 噪声。

传统上,当使用运算放大器测量来自分流电阻器的小差分电压信号时,您需要确保运算放大器具有足够的带宽, 以便进行精确的测量, 而不会给信号带来误差,从而实现最高的罪魁祸首之一。测量短暂的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的带宽来跟踪输入信号。

备选器件建议

对于需要具有与 OPA365 相似性能但具有更高带宽和压摆 率的应用,OPA836 系列可提供 560V/μs 的压摆率以及 120MHz 的增益带宽积。 对于需要 OPA365 性能但电源范围更高的应用,LMH661x 系列可提供最高 12.8V 的电源。有关更多备选器件。

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关键词: 放大器 概述

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