如何将低压精密运算放大器的性能扩展到高压高侧电流检测应用

作者：Nicolas AUPETIT STMicroelectronics 翻译者：Britripe （如有翻译错误请各位大佬指证)

简介

支持扩展共模电压的专用设备通常用于高侧电流感测。但专用设备有其自身的局限性。共模电压超过100V时怎么办？那么可以精确测量电流吗？经典的5V运算放大器似乎完全不适合这种测量。但只需几个外部元件，我们就会发现低压放大器绝对适用于精确检测电流而不受任何共模电压限制。

原理图和描述

该应用的主要目标是测量由150V供电的工业电机控制器的电流，如图1所示，这得益于分流电阻器。为了获得低电流的精确测量，使用5V精密运算放大器。

150V输入不会烧毁运算放大器吗？如果V1电压用于产生第一个运算放大器OP_A的正电源（Vcc_H），则不会。
如果我们使用具有4.7V击穿电压的齐纳二极管（BZT52C4V7S），则产生OP_A的负电源（Vcc_L）。这样，OP_A由4.7V供电，Vcc_L = 145.3V至Vcc_H = 150V。
电阻Rz用于偏置齐纳二极管（~5mA），并为运算放大器的偏置电流（~40μA）提供返回路径。
电压Vsense（Vs）是流过Rsense的电流的结果，它被R1，R2，R3和R4电阻放大。
P-MOSFET（BSP2220）提供与流入Rsense的电流成比例的精确输出电流，并且通过R4电阻，它产生相对于地的电压Vo，其与高侧电流成比例。第一级的电压输出可由公式1给出：

$V_{o}=\frac{V_{sense\times R_{4}}}{R_{1}\times R_{3}}\times (R_{1}+ R_{2}+R_{3}) (1)$

第二个运算放大器OP_B是缓冲Vo电压所必需的。可以添加R5电阻，以便在启动时可能在输入引脚中流动的高电流的情况下保护OP_B的本征ESD二极管。
电机控制所消耗的最大电流为100A。因此，使用100μΩ分流电阻时，最大Vsense为10mV。最大输出电压取决于Vsense电压，以及R4上产生的输出电流。并且由微控制器的ADC处理，该最大输出电压Vo不得超过3.3V。
必须仔细选择组件的值以使系统正常工作。主要目标是使用低| Vgs | 为了不使OP_A的输出饱和。
因为保持低电流Ids有帮助，我们选择R4的高值。
并且为了避免运算放大器输出的任何饱和，相对于运算放大器OP_A的增益（由比率R2 / R1给出）不应该太高。
我们必须在组件值的选择上妥协，这必须遵循等式2：

$\left | V_{GS max} \right | < V_{zener} = \frac{R_{3}\times (R_{1}+R_{2})}{R_{4}\times (R_{1}+R_{2}+R_{3})}\times V_{O_{MAX}}(2)$

其中Vgmax是允许电流流入晶体管V =??_???所需的Vgs
且Vzener = Vcc_H - Vcc_L

现在让我们来看看这种系统的精确度。不准确性主要是由于电阻的不匹配以及放大器的偏移。

误差分析

阻力不匹配的影响

等式1通过考虑所使用的电阻完全匹配来给出输出电压的结果。不幸的是，情况并非如此，因为阻力有其自身的精确度。
由于电阻不匹配而对增益产生的误差由下式给出：

$V_{O}=\frac{I_{sense}\times R_{shunt}}{R_{1}}\times \frac{R_{4}}{R_{3}}\times (R_{1}+R_{2}+R_{3})\times \left [ 1+(\frac{2R_{1}+4R_{2}+2R_{3}}{R_{1}+R_{2}+R_{3}})\times \varepsilon \alpha +\varepsilon R_{shunt} \right ] (3)$

其中 $\varepsilon \alpha$ 是任何电阻的精度， $\varepsilon R_{shunt}$ 是分流电阻的精度。

从等式3可以看出，R2电阻对误差的影响大于其他电阻。因此必须选择其值尽可能低（10kΩ）。另请注意，R1和R3的总和应为高且不相等，以实现增益，R1理想地低，以限制噪声。

电压偏移的影响

必须考虑另一个错误：输入电压偏移。在这个应用中，我们选择了斩波放大器TSZ121，因为它具有非常低的Vio，8μV的温度。这种误差变得占主导地位，尤其是在必须测量非常小的电流时。
考虑到Vio的转移功能可以写成如下

$V_{out}=\frac{(V_{sense}\pm V_{io1})\times R_{4}}{R_{1}\times R_{3}}\times (R_{1}\times R_{2}\times R_{3})\pm V_{io2}(4)$

其中Vio1是第一个运算放大器（OP_A）的输入偏移，Vio2是第二个运算放大器（OP1_ B）的输入偏移。由于TSZ121具有极低的输入失调电压，Vio2可以忽略不计。

总错误

图2和图3中的曲线图表示考虑到分流精度，温度预期的最大误差。(如下图）

结论

专用放大器通常用于实现高侧电流感测量。但在共模高于70V的应用中，我们已经看到这种测量应该使用传统的5V运算放大器。我们已经证明，使用精密运算放大器（如TSZ121放大器）和齐纳二极管可以实现高端电流检测，以便在5V范围和电平移位晶体管中工作。由于考虑了电阻和放大器，我们发现了一些错误。我们建议使用0.1％的精密电阻，以获得良好的电流测量精度。

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