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    簡化電流感應,如何使用電流檢測放大器進行設計(二)

    —— 第2章:超出范圍電流測量,測量電流以檢測超出范圍的情況
    作者:Scott Hill, Dennis Hudgins, Arjun Prakash, Greg Hupp, Scott Vestal, Alex Smith, Leaphar Castro, Kevin Zhang, Maka Luo, Raphael Puzio, Kurt Eckles時間:2020-01-17來源:TI(德州儀器)收藏

    目錄

    本文引用地址:http://www.me-unplugged.com/article/202001/409394.htm

    第1章:電流檢測,集成電阻器電流傳感器如何簡化PCB設計

    第 2 章:超出范圍電流測量,測量電流以檢測超出范圍的情況(√)

    監測電流以識別多種超出范圍的 情況

    用于提供過流保護的高側,電機電流監測

    第 3 章:開關系統中的電流檢測具有增強型PWM抑制功能的低漂移、精密直列式電機電流測量

    第4章:集成電流檢測信號鏈 集成電流檢測信號路徑

    第5章:寬VIN 和隔離式電流測量 將差分輸出(隔離式)連接到單端輸入ADC

    突破分立式電流檢測的 最大共模范圍


    簡介

    在解決與為成本優化型應用設計精確電流測量電路相關的難題時,設計人員面臨著很多選擇。方法非常廣泛, 從使用通用運算或模數轉換器 (ADC)(無論 是獨立工具還是嵌入到微控制器 (MCU) 中),到利用各種專門為電流檢測而設計的定制組件,不僅可以提供最大的靈活性,而且能夠以特定方式解決難題。

    另一個難題是如何快速有效地縮小選擇范圍,找到 與您的特定系統要求最為匹配的潛在器件。TI 應用手冊通過解決特定用例,重點介紹如何識別電路/功能問題,以及簡要介紹與該功能 相關的任何難題,從而讓上述難題迎刃而解。此外,TI 應用手冊還了能夠支持該特定功能的 潛在器件的簡短列表,以及可能有益于其他電路優化的一些替代解決方案。

    該電子書中所述的應用手冊集沒有詳盡地列出所有 電流檢測難題和 TI 應用手冊,但它確實解決了當 今出現的許多更加常見且具有挑戰性的功能電路。 如果您對此處涉及的主題有任何疑問或者有任何其他電流檢測疑問,請將其提交至 TI E2E? 社區中的論壇。

    第 2 章:超出范圍電流測量

    測量電流以檢測超出范圍的情況

    流經系統的電流量反映了系統的運行效率。了解系統運行情況的一個基本切入點是將從電源拉取的電流與該特 定運行條件下的預定義目標范圍進行比較。如果電流超出預期水平,表示系統中存在耗電量超出預期的元件。同理,如果電流低于預期,則可能表示系統某部分的供 電情況異?;蛘呱踔撂幱跀嚯姞顟B。

    可以通過多種方法來診斷系統中的故障情況,具體取決于超出范圍指示的預期用途。一種方法是監測整個系統的電流消耗,以確定電源中潛在的破壞性偏移。在這種情況下,測量精度一般并不重要,僅需簡易警報指示發生超限。

    通常使用熔斷器來提供短路保護,防止系統流入破壞性電流。在發生超出范圍情況時,熔斷器會熔斷,從而斷開電路。此時,必須更換熔斷器才能確保系統重新正常 運行。在最壞的情況下,如果難以獲取熔斷器,則需要 將系統交付至修理廠。

    熔斷器響應特定電流閾值的效率受限于時間 - 電流相 關性。圖 1 顯示了熔斷器的示例時間-電流響應。

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    圖 1:典型的時間-電流熔斷器曲線

    在另一種過流保護方案中,系統會在檢測到偏移時對其 自身進行保護,但在故障條件被清除后立即恢復正常運行。這種保護方法使用比較器將監測的工作電流水平與定義的閾值進行比較,尋找超出范圍的情況。為特定應用創建必要的檢測級別依賴于 特定于系統的變量,如所需超出范圍閾值的可調節性、 閾值水平中可接受的裕度以及必須以多快的速度檢測出偏移。

    INA381是一款專用電流檢測,具有集成的獨立比較器,能夠 執行與超出范圍檢測所需的預期工作閾值的基本比較。 圖 2 顯示了 INA381 測量電流檢測電阻器上產生的差分 電壓以及與用戶可調節的閾值水平進行比較的情形。 超出閾值水平后,警報輸出會拉低。INA381 的警報 響應能夠快至在10μs后跟蹤電流偏移。

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    圖 2:INA381過流比較器

    除故障指示外,可能還需要提供有關電源實際拉取的 電流大小或特定負載的信息。對于這些要求,典型的 方法是使用電流檢測放大器和獨立比較器的組合,如圖 3所示。

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    圖3: 分立式過流檢測

    電流檢測放大器測量檢測電阻器上產生的差分電壓并 將輸出發送至比較器輸入和模數轉換器 (ADC)。INA301在一個器件中結合了電流檢測放大器(提供與測量的輸入電流成比例的電壓輸出信號)和板載比較器(用于過流檢測),如圖 4 所示。

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    圖4:INA301集成過流檢測

    借助電流信息和超出范圍指示器,系統可根據運行情況 使用多種監測和保護機制。INA301 使用的一種機制是 首先僅監測警報指示器,將其用作故障指示器。在檢測到超出范圍情況并且警報 腳置位后,系統立即開始主動監測模擬輸出電壓信號,從而允許系統相應地做出響應。系統響應通常是降低系統性能水平、完全關閉或繼續監測以確 定偏移是否會成為更嚴重的問題。

    憑借成正比的輸出電壓和板載過流檢測功能,系統能夠 僅在必要時主動監測電流信息,從而優化系統資源。 INA301 放大器在固定增益 100(增益也可以是 20 或 50)下具有 450kHz 的小信號帶寬和 35μV 的最高輸入失調電壓。除最大增益誤差規格 0.2% 之外,放大器還能快速檢測超出范圍情況。INA301 能夠 實現精確的輸入測量并快速響應過流 事件,響應時間小于 1μs,其中包括輸入信號測量、與用戶選擇的警報閾值進行的比較以及比較器輸出的置位。

    備選器件建議

    對于需要通過板載過電流檢測來監測高于INA301 36V范圍的電壓軌上電流的應用,應使用INA200。

    INA180 是一款常用于使用外部比較器的分立過流檢測電路的電流檢測放大器。

    對于需要監測第二個故障閾值水平的應用,INA302 采用一 個具有專用可調節閾值水平的附加超出范圍比較器。

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    監測電流以識別多種超出范圍的情況

    在確定印刷電路板 (PCB) 設計是否正常運行時,首先 需要查看的參數之一是工作電流。通過檢查工作電流,您可以立即判斷電路板上是否有器件短路,是否有任何器件 損壞或(在某些情況下)軟件是否按預期運行。傳統方法是使用電流檢測放大器和模數轉換器 (ADC) 來監測電流是否發生超出范圍的情況,該方法無法提供所需的警報響應時間。此外,使用ADC來監測過流警報閾值需要在ADC和主機處理器之間持續進行通信,這會不必要地增加系統負擔。

    為了實現識別電流超出范圍情況所需的響應時間,您 需要使用模擬比較器來檢測電流何時超出給定的參考閾值。不過,在很多情況下,僅設定一個警報級別不 足以確定系統狀態,也無法針對超出范圍的電流作出 相應的系統響應。

    為了滿足該要求,可以使用 圖 1 中所示的電路來監測多種超出范圍的電流情況。

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    圖1:用于檢測多個過流事件的離散實現

    該電路包含五個器件:一個電流檢測放大器、兩個比較器和兩個基準。圖 1 所示的離散實現需要謹慎選擇比較器,以獲得所需的警報響應時間。 如果響應過慢, 系統可能沒有充裕的時間來采取相應的措施;如果響應過快,可能觸發錯誤的警報,進而可能導致系統關斷。 圖 2 顯示了一個更簡單的電路,該電路可以解決離散 實現中存在的設計問題。

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    圖2:INA302 多用途過流比較器

    INA302 能夠檢測兩種超出范圍條件。 較低的超出范圍條件稱為過流警告閾值,而較高的超出范圍條件稱 為過流故障閾值。利用過流警告閾值,可以檢測電流何時開始變得過高但尚未達到可能導致系統關斷的故 障閾值。

    當電流超出警告閾值時, 系統可以選擇通過禁用子電路、控制電源電壓或降低時鐘頻率來降低系統功耗,以降低總系統電流并防止出現 故障。如果確實發生過流故障情況,必須迅速作出響 應,以止發生進一步的系統損壞或故障行為。

    為了最大程度地減少組件數量并便于 使用,INA302 的警報閾值通過單個外部 電阻器進行設置。故障閾值應 設置為高于最壞情況下系統可能會消耗的電流值。電流 超出該閾值后,INA302 的警報引腳會在 1μs 內作出 響應。警告閾值依賴于應用,但通常高于標稱工作電 流。警告閾值響應時間可通過外部電容器在 3μs 至 1 0s 的范圍內 通過適當地設置警告閾值延遲時間,可以將過流警告閾 值設置為更接近最大直流工作電流,同時仍可 避免由短暫電流尖峰或噪聲引起的錯誤跳閘。故障閾 值和警告閾值之間更大的間距 為系統提供了額外的時間,以便在超過故障閾值之前采取預 防措施。 某些系統允許在觸發警報之前 在超出警告閾值的情況下運行一段時間。此類應用之一 是監測流向處理器的電源電流??梢栽试S處理器在超出 正常最大電流水平的情況下短暫地 運行一段時間,以最大程度地提高關鍵操作期間的計算 吞吐量。如果電流在超過設定的延遲時超出警告閾值, 警報輸出將拉低,以通知主機處理器,以便在發生過熱 情況之前電壓或時鐘頻率會降低。

    在某些系統中,檢測出電流何時過低非常有用。對于這些應用,圖 3 中所示的 INA303 可提供過流和欠流檢 測。進行調節。 

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    圖3:INA303 過流和欠流檢測

    電流超出過流故障閾值后,ALERT1 輸出將在 1μs 內作出響應。不過,如果電流降至欠流閾值以下, 則通過延遲電容器來設置 ALERT2 響應時間。正常 運行狀態下可能出現短暫欠流情況。不過,如果欠流情況的持續時間長于預期,則可能是由損壞的器件或即將發生故障的系統導致的。在這種情 況下,警報輸出可向系統控制器通知這一情況,并且 可以在系統發生故障之前實施故障處理程序。

    欠流檢測的另一個用途是確認系統狀態是否正確。某些 系統會進入低功耗模式,該模式下的電流低于正常工作 范圍。在這種情況下,欠流警報輸出可以通知主機系統 確實已進入關斷狀態。

    在某些設計中,只有當電流超出預期的工作范圍時才需 要通知。對于這些情況,可將兩路警報輸出連接在一 起,從而將 INA303 配置為在窗口模式下運行,如圖 4 所示。在該模式下,只要電流處于正常運行窗口內,單 路警報輸出就處于高電平。

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    圖4: INA303 窗口模式運行

    備選器件建議

    INA226 可用于需要數字電流監測的應用。如果您只需要 單路數字警報輸出,那么 INA300 可以采用微型 2mm x 2mm 無引線四方扁平 (QFN) 封裝。 對于除模擬電流信號外僅需使用單路警報輸出的應 用,INA301 可在 1μs 內作出響應,從而提供出色的電 流監測精度。

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    用于提供過流保護的高側電機電流監測

    高精度大功率電機系統通常需要將轉速、轉矩和位置 等詳細反饋發送回到電機控制電路,從而高效精確地控制電機運行。

    更簡單的電機控制應用(例如固定運動任務)可能不需 要相同水平的精確系統反饋,因為它們可能只需要知道 系統是否在其路徑中遇到意外物體或者電機繞組是否短 路。添加簡單的超出范圍檢測功能可以使指示超出范圍事件的速度有所提升,因此實現動態控制和主動監測的更復雜的電機控制系統能夠從中獲益。

    通過將電流檢測放大器與直流電源串聯,驅動電機驅動 電路的高側 - 如圖 1 所示 - 可以輕松測量流入電機 的總電流, 以檢測超出范圍的情況。要檢測微小的泄漏,您還可以 測量低側返回電流。高側和低側電流電平之間的差異表 明在電動機或電動機控制電路內存在泄漏路徑。

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    圖1:低側和高側電流檢測

    直流電壓電平隨電機額定電壓而異,從而導致可適應 相應電壓電平的多種電流測量解決方案。對于低電壓 電機(約 5V),選擇用于監測此電流的電路要簡單得多,因為多種放大器類型(電流檢測、運算、 差分、儀表)可以執行電流測量功能并支持該共模輸入 電壓范圍。

    對于電壓較高的電機(如 24V 和 48V),可用的選項 局限于專用電流檢測放大器和差分放大器。隨著電壓要 求不斷提高,測量誤差開始影響有效確定超出范圍情況的能力。

    一種用于說明放大器在高輸入電壓電平下運行時的有 效性的規格是共模抑制 (CMR)。該規格直接說明了放 大器輸入電路對高輸入電壓干擾的抑制效果。在理想情況下,放大器可以完全抑制或消除兩個輸入引腳的 共用電壓并且僅對兩者之間的差分電壓進行測試它們。不過,隨著共模電壓的上升,放大器輸入級 中的漏電流將導致額外的輸入失調電壓。較大的輸入范 圍級別將按比例產生較大的測量誤差。

    例如,CMR 規格為 80dB 的放大器(差分或電流監測) 會在測量結果中根據輸入電壓電平引入較大的失調電 壓。CMR 規格 80dB 對應于針對施加到輸入的每伏特電 壓在測量中產生額外的 100μV 失調電壓。

    許多器件具有規定的工作條件(例如,共模電壓 [VC M] = 12V,電壓源 (VS) = 5V),這建立了默認規格 (具體而言,即 CMR 和電源抑制比 [PSRR])的基 線。例如,在 60V 共模電壓下運行會導致 VCM 變化 48V (60V-12V)。在 80db CMR 下,除了器件數據表中指定的輸入失調電壓之外,48V 變化還會導致產生額 外的 4.8mV 失調電壓。

    該額外產生的失調電壓不會顯著影響采用校準方案的應 用。不過,對于系統校準無法解決該偏移漂移的應用, 選擇具有更佳 VCM 抑制的放大器至關重要。 INA240 是一款專用的電流檢測放大器,其共模輸入電 壓范圍為 -4V 至 +80V,在該器件的整個輸入和溫度范 圍內的最壞 CMR 規格為 120dB。 120dB 的 CMR 對應 于共模電壓每變化 1V 額外產生 1μV 的輸入失調電 壓。溫度對放大器抑制共模電壓能力的影響在許多產品 的數據表中都沒有詳細記錄,因此除了室溫規格之外, 您還應對該影響進行評估。 INA240 在整個 -40°C 至 +125°C 的溫度范圍內可確 保 120dB CMR 規格。INA240 在整個溫度范圍內的典型 CMR 性能為 135dB(每變化 1V 產生的失調電壓小于 0. 2μV),如圖 2 所示。

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    圖2:共模抑制與溫度間的關系

    系統控制器能夠根據電流檢測放大器的測量結果來評估系統的運行情況。將當前信息與預定義的運行閾值進行比較可以檢測出超出范圍事件。高側電流檢測放大器后面的比較 器可以輕松檢測并快速向系統發出警報,從而使系統能夠采取糾正措施。

    圖 3 說明了用于在測量驅動電動機驅動電路的高電壓軌 上的電流時監測和檢測超出范圍偏移的信號鏈路徑。 與 測量的輸入電流成正比的輸出信號會被導入 ADC,并且 還被 發送到比較器以檢測過電流事件。如果輸入電流電平超出作為比較器基準電壓的預定義閾值,則比較器警報將置位。

    對過流檢測電路的一項關鍵要求是能夠檢測出超出范 圍情況并快速作出響應。100kHz 的信號帶寬和 2V/ μs 的壓擺率使 INA240 能夠在幾微秒的時間內精確 測量和放大輸入電流信號,并將輸出發送到高速比較器,以根據短路情況 發出警報。該短暫的響應時間可確保系統中流過的意外過大電流不會損壞其他關鍵系統組件。 

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    圖3: 高側過流檢測

    備選器件建議

    您可以將 LMP8640HV 用于測量高電壓能力的應用,這些 應用需要更高的信號帶寬或更小的封裝。 對于需要能夠承受更高電壓的應用,可選擇 INA149,這 是一款高性能差分放大器,能夠連接高達 ±275V 的共 模電壓 (電源電壓為 ±15V),并保證 CMR 為 90dB(或輸入 每變化 1V,產生 31.6μV 的失調電壓)。 INA301 是一款具有板載比較器的精密電流檢測放大器, 可檢測高達 36V 的共模電壓下的過流事件。

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    關鍵詞: 放大器 概述

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