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如何將低壓精密運算放大器的性能擴展到高壓高側電流檢測應用

簡介

原理圖和描述

誤差分析

阻力不匹配的影響

電壓偏移的影響

總錯誤

結論

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如何將低壓精密運算放大器的性能擴展到高壓高側電流檢測應用

作者：Nicolas AUPETIT STMicroelectronics ? ? ? ? ? 翻譯者：Britripe （如有翻譯錯誤請各位大佬指證)

簡介

支持擴展共模電壓的專用設備通常用于高側電流感測。 但專用設備有其自身的局限性。 共模電壓超過100V時怎么辦？ 那么可以精確測量電流嗎？ 經典的5V運算放大器似乎完全不適合這種測量。 但只需幾個外部元件，我們就會發現低壓放大器絕對適用于精確檢測電流而不受任何共模電壓限制。

原理圖和描述

• 該應用的主要目標是測量由150V供電的工業電機控制器的電流，如圖1所示，這得益于分流電阻器。 為了獲得低電流的精確測量，使用5V精密運算放大器。

• 150V輸入不會燒毀運算放大器嗎？ 如果V1電壓用于產生第一個運算放大器OP_A的正電源（Vcc_H），則不會。
• 如果我們使用具有4.7V擊穿電壓的齊納二極管（BZT52C4V7S），則產生OP_A的負電源（Vcc_L）。 這樣，OP_A由4.7V供電，Vcc_L = 145.3V至Vcc_H = 150V。
• 電阻Rz用于偏置齊納二極管（~5mA），并為運算放大器的偏置電流（~40μA）提供返回路徑。
• 電壓Vsense（Vs）是流過Rsense的電流的結果，它被R1，R2，R3和R4電阻放大。
• P-MOSFET（BSP2220）提供與流入Rsense的電流成比例的精確輸出電流，并且通過R4電阻，它產生相對于地的電壓Vo，其與高側電流成比例。 第一級的電壓輸出可由公式1給出：?

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• 第二個運算放大器OP_B是緩沖Vo電壓所必需的。 可以添加R5電阻，以便在啟動時可能在輸入引腳中流動的高電流的情況下保護OP_B的本征ESD二極管。
• 電機控制所消耗的最大電流為100A。 因此，使用100μΩ分流電阻時，最大Vsense為10mV。最大輸出電壓取決于Vsense電壓，以及R4上產生的輸出電流。 并且由微控制器的ADC處理，該最大輸出電壓Vo不得超過3.3V。
• 必須仔細選擇組件的值以使系統正常工作。 主要目標是使用低| Vgs | 為了不使OP_A的輸出飽和。
• 因為保持低電流Ids有幫助，我們選擇R4的高值。
• 并且為了避免運算放大器輸出的任何飽和，相對于運算放大器OP_A的增益（由比率R2 / R1給出）不應該太高。
• 我們必須在組件值的選擇上妥協，這必須遵循等式2：

?????????

其中Vgmax是允許電流流入晶體管V =??_???所需的Vgs

且Vzener = Vcc_H - Vcc_L

現在讓我們來看看這種系統的精確度。 不準確性主要是由于電阻的不匹配以及放大器的偏移。

誤差分析

阻力不匹配的影響

• 等式1通過考慮所使用的電阻完全匹配來給出輸出電壓的結果。 不幸的是，情況并非如此，因為阻力有其自身的精確度。
• 由于電阻不匹配而對增益產生的誤差由下式給出：

?? ? ?

其中是任何電阻的精度，是分流電阻的精度。

• 從等式3可以看出，R2電阻對誤差的影響大于其他電阻。 因此必須選擇其值盡可能低（10kΩ）。 另請注意，R1和R3的總和應為高且不相等，以實現增益，R1理想地低，以限制噪聲。

電壓偏移的影響

• 必須考慮另一個錯誤：輸入電壓偏移。 在這個應用中，我們選擇了斬波放大器TSZ121，因為它具有非常低的Vio，8μV的溫度。 這種誤差變得占主導地位，尤其是在必須測量非常小的電流時。
• 考慮到Vio的轉移功能可以寫成如下

?????

• 其中Vio1是第一個運算放大器（OP_A）的輸入偏移，Vio2是第二個運算放大器（OP1_ B）的輸入偏移。 由于TSZ121具有極低的輸入失調電壓，Vio2可以忽略不計。

總錯誤

• 圖2和圖3中的曲線圖表示考慮到分流精度，溫度預期的最大誤差。(如下圖）

結論

• 專用放大器通常用于實現高側電流感測量。 但在共模高于70V的應用中，我們已經看到這種測量應該使用傳統的5V運算放大器。我們已經證明，使用精密運算放大器（如TSZ121放大器）和齊納二極管可以實現高端電流檢測，以便在5V范圍和電平移位晶體管中工作。由于考慮了電阻和放大器，我們發現了一些錯誤。 我們建議使用0.1％的精密電阻，以獲得良好的電流測量精度。

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翻譯如有錯誤:請大佬指點
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總結

以上是生活随笔為你收集整理的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（高电流电阻采集电压电路图及误差分析）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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