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用于電流檢測放大器的差分過壓保護電路

時間:2019-04-20 08:45:27來源:網絡 作者:電子愛好者 點擊:
對于電機控制或電磁控制應用中使用的許多電氣系統來說,惡劣的環境是現實的。控制電動機和螺線管的電子設備必須非常靠近用于產生最終應用所需的物理運動的高電流和高電壓。

對于電機控制或電磁控制應用中使用的許多電氣系統來說,惡劣的環境是現實的。控制電動機和螺線管的電子設備必須非常靠近用于產生最終應用所需的物理運動的高電流和高電壓。除了接近性之外,這些系統通常也是可維修的(例如,可能雇用技術人員來更換洗碗機電磁閥的控制器板),這留下了無意的接線錯誤的可能性。接近高電流和高電壓,加上可能出現錯誤接線,需要采用包含過壓保護的設計。

為了創建高效安全的系統,精密電流檢測放大器監控這些應用中的電流。精密放大器電路需要設計成能夠防止過壓條件,但這些保護電路可能會影響放大器的精度。

通過適當的電路設計,分析和驗證,可以在保護和準確性之間取得平衡。本文討論了兩種常見的保護電路,以及這些電路的實現如何影響電流檢測放大器的精度。

電流檢測放大器

大多數電流檢測放大器能夠處理高共模電壓(CMV),但不能處理高差分輸入電壓。在某些應用中,存在分流器處的差分輸入電壓超過放大器的指定最大電壓的情況。這在工業和汽車電磁閥控制應用(圖1)中很常見,其中可能出現由短路引起的故障狀況,使電流檢測放大器暴露于可能達到與電池相同電位的高差分輸入電壓。這種差分過壓會對放大器造成損壞,特別是在沒有保護電路的情況下。

 
 
 

圖1.電磁閥控制應用中的高端電流檢測。

過壓保護電路

圖2顯示了電流檢測放大器的過壓保護的基本連接。當差分輸入電壓超過給定放大器的最大額定值時,放大器可能開始將電流拉入內部保護二極管如果輸入引腳之間存在較大的差分電壓信號,額外的串聯電阻R1​​和R2可防止大電流流向內部保護二極管。

 
 
 
圖2

圖2.基本過壓保護電路。

保護電路容許的最大額定電壓和最大輸入電流都因器件而異。作為一般經驗法則,將通過內部差動保護二極管的電流限制在3 mA,除非有規格表明可以接受更大的值。給定此值,使用以下等式計算R1和R2的值:

公式1

 

其中:VIN_MAX是預期的最大差分電壓。VRATED_MAX是最大額定電壓(0.7 V)。R是總串聯電阻(R1 + R2)。

例如,如果預期的最大瞬態輸入電壓為10 V,則等式為

公式2

如果R =3.1kΩ,那么基于公式1,R1和R2 =1.55kΩ。

相對于某些放大器的輸入阻抗,R1和R2的這些值是顯著的,并且可能對整個系統性能產生很大的誤差。

降低R1和R2值的一種方法是在輸入引腳上增加具有更高電流能力的外部保護二極管,如圖3所示。

 
 
 
圖3

圖3.帶外部輸入差動保護二極管的過壓保護電路。

例如,當使用可處理高達500 mA正向電流的Digi-Key B0520LW-7-F肖特基二極管時,R的值降至20Ω。

系統性能的權衡

在放大器的輸入端添加串聯電阻會降低某些性能參數。在某些放大器中,R1和R2與內部精密電阻串聯。在其他放大器中,偏移電流與電阻一起工作以產生偏移電壓。更可能受影響的參數是增益誤差,共模抑制比(CMRR)和偏移電壓。

為了檢查串聯電阻的潛在影響,測量了兩個在輸入引腳配置有保護電阻的電流檢測放大器。用于評估增益誤差,CMRR和失調電壓的測試設置如圖4所示。該設置使用Agilent E3631A電源為器件提供5 V單電源,Yokogawa GS200精密直流電源,用于差分輸入電壓信號,用于設置CMV的HAMEG HMP4030,以及用于測量電流檢測放大器輸出電壓的Agilent 3458A精密萬用表。

 
 
 
圖4

圖4.用于評估增益誤差,CMRR和偏移電壓的測試設置。

這倆 AD8210和評估AD8418以測量附加串聯電阻對器件的增益誤差,CMRR和偏移電壓參數的影響。

增益錯誤

當串聯電阻與放大器的輸入串聯時,它們與放大器的差分輸入阻抗形成電阻分壓器。電阻分壓器會在電路級引入衰減,作為額外的增益誤差。具有較低差分輸入阻抗的放大器的附加增益誤差將更大。

表1列出了AD8210的計算附加增益誤差和實際增益誤差。AD8418在使用和不使用保護電路的情況下進行了測試。表2顯示了計算出的附加增益誤差和放大器的實際增益誤差。

表1. AD8210增益誤差
R1(Ω) R2(Ω)  額外
增益誤差(%)
實際增益
(V / V)
實際增益
誤差(%) 
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