上橋臂電流檢測通常采用支持擴展共模電壓的專用器件，但是專用器件也有自身的限制，例如，當共模電壓高于100V時，專用運放還能精確地測量電流嗎？傳統(tǒng)5V運放似乎完全不適用這種測量。但是，在增加幾個外部器件后，我們將會發(fā)現(xiàn)，低壓運放完全可以精確地測量上橋臂電流，而且沒有任何共模電壓限制。

電路示意圖及原理簡介

本文所討論的應(yīng)用設(shè)計是測量150V工業(yè)電機控制器的電流。如圖1所示，為能夠精確地測量很小的電流值，我們使用了一個分流器配合一個高精度5V運放。

圖1：典型應(yīng)用

難道150V輸入電壓不會燒毀運放嗎？如果V1電壓是用于給第一級運放OP＿A提供正電壓（Vcc＿H），就不會發(fā)生這種情況。

如果連接一個擊穿電壓為4．7V的齊納二極管，則會為第一級運放OP＿A生成負電壓 （Vcc＿L）。這樣，OP＿A的電源電壓是4．7V，是Vcc＿L＝145．3V與 Vcc＿H＝150V的差值。

電阻Rz為齊納二極管提供偏置電流（～5mA），并為運放的偏置電流提供回路（～40μA）。

Vsense是電流經(jīng)過電阻Rsense時產(chǎn)生的電壓，被電阻R1、R2、R3和R4放大。

P－MOSFET（BSP2220）輸出高精度電流，與流經(jīng)Rsense的電流成正比；該電流經(jīng)過R4電阻時生成對地電壓Vo，與上橋臂電流成正比。第一級的輸出電壓可由下面的方程式1得出：

Vo＝（Vsense／R1）．（R4／R3）．（R1＋R2＋R3）（1）

第二級運放OP＿B用于抑制Vo電壓。在加裝電阻R5后，當啟動階段有大電流經(jīng)過輸入引腳時，可以保護OP＿B的內(nèi)部ESD二極管。

電機控制電路消耗的最大電流是100A。因此，使用一個100μΩ分流器時，Vsense最大值為10mV。最大輸出電壓取決于Vsense電壓和R4上的最終輸出電流。因為由微控制器的ADC來處理，所以最大輸出電壓Vo必須高于3．3V。

為確保系統(tǒng)正常工作，必須仔細選擇這些器件參數(shù)。為了使OP＿A輸出不飽和，在選擇參數(shù)時必須保證｜Vgs｜電壓值很小。

因為Ids保持低電流有助于實現(xiàn)這個目標，所以我們選擇一個高電阻的R4。

為避免運放輸出飽和，第一級運放OP＿A的增益由R2／R1比確定，不應(yīng)該過高。

在選擇器件參數(shù)時，我們不得不折衷考慮，必須遵守方程式2：

｜Vgs max｜ ＜ Vzener－（R3．（R1＋R2））／（R4．（R1＋R2＋R3） ）．Vo＿max  （2）

● 其中，Vgmax是使電流Id＿max＝（Vo＿max）／R4進入晶體管所需的Vgs電壓，且Vzener＝Vcc＿H － Vcc＿L

現(xiàn)在我們看一下這個系統(tǒng)的精度問題。導致放大器精度差的主要原因是電阻不匹配和失調(diào)電壓。

誤差分析

電阻不匹配對測量精度的影響

假設(shè)所用電阻完美匹配，通過方程式1可以得出輸出電壓。不幸地是，實際情況并不是這樣，因為電阻本身也有自己的精度。

用下面的公式可以得出因電阻不匹配而造成的增益誤差：

V0＝（（Isense＊Rshunt）／R1）．（R4／R3）．（R1＋R2＋R3）．［1＋（（2R1＋4R2＋2R3）／（R1＋R2＋R3））． εα＋ εRshunt］ （3）

● 其中εα是電阻的精度，εRshunt是分流器的精度。

從方程式3不難看出，R2電阻對誤差的影響最大，所以該電阻器必須選擇阻值盡可能小（10kΩ）的電阻。注意，R1和R3的阻值之和應(yīng)該高且均衡，只有這樣才能取得理想增益，因為理論上R1阻值小能夠抑制噪聲。

Vio對精度的影響

輸入失調(diào)電壓是必須考慮另一個誤差，在上面的應(yīng)用中，我們選擇了一個斬波放大器TSZ121，因為這款產(chǎn)品的Vio電壓極低，在工作溫度范圍內(nèi)僅8μV。特別是測量特別小的電流時，這個誤差非常突出。

考慮到傳遞函數(shù)，Vio可以表示成：

Vout＝（（Vsense±Vio1）／R1）．（R4／R3）．（R1＋R2＋R3）±Vio2  （4）

● 其中Vio1是第一級運放（OP＿A）的輸入失調(diào)電壓，Vio2是第二級運放（OP1＿ B）的輸入失調(diào)電壓。因為TSZ121的輸入失調(diào)電壓極低，所以Vio2可以忽略不計。

總誤差

為了弄清輸出總誤差，我們必須把電阻不匹配和運放失調(diào)考慮進去。最終，輸出電壓可以表示為方程式5：

Vo＝（（Isense＊Rshunt））／R1）．（R4／R3）．（R1＋R2＋R3）．［1＋（（2R1＋4R2＋2R3）／（R1＋R2＋R3））．εα＋ εRshunt］±（Vio／R1）．（R4／R3）．（R1＋R2＋R3） （5）

圖2和圖3表示在工作溫度范圍內(nèi)可能出現(xiàn)的最大誤差，考慮到了分流器的精度。

圖2：總誤差，假設(shè)電阻精度為1％，Rshunt精度為 1％

圖3：總誤差，假設(shè)電阻精度為1％，Rshunt精度為 1％

結(jié)論

專用放大器通常用于上橋臂電流檢測，但是在共模電壓高于70V的應(yīng)用中，應(yīng)該改用傳統(tǒng)的5V運放。

上橋臂電流的檢測可以使用高精度運放如TSZ121放大器，為了工作在5V電平轉(zhuǎn)換電路內(nèi)，需要一個齊納二極管配合放大器。

我們考慮到了電阻和放大器引起的某些誤差。為取得良好的電流測量精度，我們建議使用0．1％精度電阻。