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高侧电流感测放大器在高电压下工作的技术方案

来源:analog 发布时间:2023-09-11

摘要: 该电路修改了一个标准的32V高压电流监视器,以测量负载电流(至30mA),同时适应任何水平的高压,但受外部组件的限制。(所示的组件允许测量到4A。)

测量执行器或电机电流的最简单技术是通过检测负载和地之间添加的小电阻元件上的电压降来监测其接地电流。因为设备和相关的电子设备共享相同的地电位,你只需要放大地电流信号。

然而,这种方法不能检测到设备接地短路,这可能会使高侧驱动电路过载。为了减轻这种潜在的故障情况,高侧电流监测器将检测电流监测器下游的短路和类似故障。

高侧电流监测具有优势,但由于缺少能够处理工业中使用的高电压水平(从24V到数百伏)的设备,其使用受到限制。现成的设备可以工作在32V和76VDC,但即使是76VDC也不足以满足许多应用。图1显示了一种简单的方法,可以调整标准32V器件,使其在任何电压水平下使用,但受外部组件的限制。(所示组件支持130V电压。)负载电流大于30mA时,精度优于1%。


图1所示、所示的组件使36V高侧电流监测IC (U1)能够在高达130V的共模电压下工作。(对于更高的电压,根据文中的建议重新调整R1的大小。)

选择U1作为其电流输出级,它可以很容易地实现输出信号到地电平移位所需的电流镜像。然后,地面参考信号很容易监测与A/D转换器或比较器。

在此应用中,在存在130VDC共模电平的情况下监测施加到负载的电流。首先,确保U1的绝对最大额定值(相对于GND引脚36VDC)不违反Rs+, Rs-和V+引脚。为此,24V齐纳二极管Z1将V+, Rs+和GND引脚之间的电压限制为24V。因此,这些引脚之间的典型电压为24V减去Q1的Vbe,即23.3V。

该电路的Izener约为700µA。注意:制造商建议的偏置电流为500µA,但齐纳的di/dt斜率在300µA以下为负值,这可能会引入噪声甚至振荡(图2)。最小指定偏置(300µA至500µA)设置R1的最大值,R1和D1的最大允许功耗组合设置R1的最小值。因此,对于100V和250V之间的供电轨道,合理的R1值介于150k欧姆和225k欧姆之间(在本例中为150k欧姆)。


图2、这张Vzener与Izener的曲线图(对于图1中的齐纳二极管)表明了对应于高压和R1的各种组合的Izener值。对于低于~400mA的偏置电流,请注意该曲线的斜率(表示齐纳的动态源阻抗)为负,产生额外的噪声和振荡的可能性。

Q1和R1形成分流稳压器。选择Q1是因为其最大V(CE)额定值(-300V)、高增益(1.0mA时100V/V)和功率处理能力(500mW)。输出电流与Rs+和Rs-之间的电压差(Vsense)成正比:Iout = Gm × Vsense,其中Vsense = Rsense × ilload。U1的Gm是10mA/V。当最大监测负载电流ilload为4A, Rsense = 10毫欧时,最大输出为10mA/V × 10毫欧 × 4A = 400uA。

因此,Iout与ilload成正比,最大期望输出为400uA。对于Vsense可以接近内部差分对的绝对最大额定值(700mV)的宽动态范围应用,您应该通过在Rsense和Rs+之间以及Rsense和Rs-之间添加串联电阻来保护感测引脚。当Rs+对Rs-差为700mV时,应选择将输入电流限制在10mA的电阻值。

Iout现在与ilload成比例,但为了便于监控,它必须通过由Q2和R2组成的电流镜像水平移到地。Q2的高增益迫使集电极电流接近发射极电流,施加到R2上,产生一个可以在Vout测量的电压。与Q1一样,Q2需要最大Vce额定值为-240V(如图所示设备的额定值为-300V)。

Vout现在等于Iout × R2(由于Q2基极电流的流出,Q2集电极的实际输出电流略小)。在ilload = 4A时,Vout = 400uA × 10.0K欧姆 = 4.0V。通过适当选择Q1、Q2和基极电阻R1,可以适应工作电压较低或较高的设计。

这个设计理念出现在2004年7月22日的《EDN》杂志上。



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