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經(jīng)典分享:“無損耗的”電流檢測設(shè)計中的5大問題

發(fā)布時間:2015-05-22 責(zé)任編輯:sherry

【導(dǎo)讀】本文分享的是“無損耗的”電流檢測設(shè)計,有電阻存在它是如何實現(xiàn)無損耗的呢? 另外,電容器的作用是什么? 它看起來像個濾波器,但又似乎不對,有許多需要濾波的噪音嗎? 這個電路有效嗎? 本文為你分解!
 
我目前正在研究一個號稱“無損耗的”電流檢測設(shè)計(參見下面的電路圖片段)。有電阻存在它是如何實現(xiàn)無損耗的呢? 另外,電容器的作用是什么? 它看起來像個濾波器,但又似乎不對,有許多需要濾波的噪音嗎? 這個電路有效嗎? 我是一個有著豐富閱歷的人,因此我知道凡人是無法達到完美境界的。該電路有哪些危險性和局限性?
 
—Vijay in Vallejo
電流檢測設(shè)計
您好,Vijay。確實,我一切都好,事實上是更好。我剛完成了一個跨州的頭等艙(只會是頭等艙)長線飛機旅行,在林肯中心欣賞了大都市歌劇院演出的雅克·奧芬巴赫未完成的杰作《霍夫曼的故事》。然而,您寫信給我的目的不是討論法國歌劇,但我希望您可以縱容我一下,我在工作時就想象成我正在揮舞著手臂,附和著男中音歌手重演。
 
電感器串聯(lián)的電阻表示電感器的串聯(lián)電阻。該繞線電阻始終存在。我們可以最小化該電阻,但卻不能消除它。之所以說 ESR 檢測電路沒有損耗,是因為我們沒有添加任何額外的電流檢測電阻,我們只是使用不可避免的電阻。
 
正如你所猜測的,電容器不是濾波器,但可以視為一個重建器件,其電容電壓是電感電流的模擬。
 
我會擴展您的電路并包括更多典型元件。在圖 1 中,注意添加的典型同步降壓開關(guān)節(jié)點波形以及產(chǎn)生的電感電流。說明: 節(jié)點數(shù)量與 PSPICE 文件匹配。
電流檢測設(shè)計
如何選擇 R2 和 C1? 很簡單,設(shè)置 L/R = RC,因而 RL 網(wǎng)絡(luò)的阻抗與 RC 網(wǎng)絡(luò)的阻抗匹配;由于網(wǎng)絡(luò)匹配,電容器兩端的電壓模擬電感器電流。說明: 若 VC 過度驅(qū)動電流檢測放大器,R3 就可用來縮放VC。說明: 若使用 R3,則阻抗匹配計算中所用的 R 應(yīng)該是 R2 和 R3 并聯(lián)等效值。為了利用一定的濾波,我們通常希望 C1 至少為 0.1μF。
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我們可以看到 VC模擬 IL(如圖2模擬所示),其中綠色曲線是電感器電流,而紅色曲線是電容器電壓??梢钥吹讲ㄐ纹ヅ涞煤芎?。
電流檢測設(shè)計
圖3波形是通過簡單的 PSPICE 仿真繪制的。說明: 曲線自 950 uSec 開始,允許諧振 LC(其中 C 是指大容量輸出電容)網(wǎng)絡(luò)達到接近穩(wěn)態(tài)。還請注意用于覆蓋波形的 Y 軸比例。
電流檢測設(shè)計
圖3這個電路有效嗎? 當(dāng)然有效,這個電路在業(yè)界很常見,用于很多地方。
 
您最后那個關(guān)于危險性和局限性的問題很富有洞察力。該電路有哪些問題呢?
 
首先,為了處理更高的電流,我們使用較大的銅導(dǎo)線,電感器的 ESR 就會降低。這意味著 VC波形的幅度會變小而對應(yīng)的信噪比會變差。在我們的例子中,注意對于 36.5 A 的電流,我們得到 8.92 mV 的 VC信號。在嘈雜的電源環(huán)境中,很難測量沒有顯著噪聲耦合的毫伏信號,我們總是推薦使用差分跟蹤路由、隔離和屏蔽,尤其是對于開關(guān)節(jié)點的振鈴。當(dāng)然,更低電流的信噪比更差,其中,VC接近微伏,這樣低電流測量就更加不準(zhǔn)確。
 
測得電流的容差堆積存在更大的問題。電感器 ESR 可能有一個初始±7%的容差。銅的正溫度系數(shù)每度大概增加 0.4%。對于 75 度的溫升,這意味著 290 uOhm 銅電阻大概增加 87 微歐 (+30%)。實際上,很難使得整體 ESR 電流檢測精度高于 ±15%,盡管可以通過溫度補償電路實現(xiàn)一定程度的改善。
 
為了方便討論,我們可以假設(shè)您正在設(shè)計一個提供 35 A 穩(wěn)態(tài)電流的電路。為了避免錯誤觸發(fā)瞬態(tài)負(fù)載,可以將 OCP(過流保護)觸發(fā)電流設(shè)置為 50 A。假設(shè)整體誤差為 15%。這就說,當(dāng)您認(rèn)為輸出電流是 50 A 時,它實際上要高出 15% (57.5A)。那么,現(xiàn)在您設(shè)計的電路必須能夠以無損方式以 57.5 A 的恒流運行,盡管您通常只使用 35 A。這就是大量過度開銷,而過度設(shè)計耗費的是真實的金錢。有一個選擇是使用一個精密電流檢測電阻與電感器串聯(lián)。這會提高精度,但會花費金錢并浪費功率——這樣的事情會使設(shè)計管理團隊血壓升高。
 
正是由于這些顧慮,如今對電流檢測的關(guān)注度才這么高,并且為提高電流檢測電路的精度度作出了很大的努力。
 
現(xiàn)在,在進行了這么多的武斷討論后,抱歉,我可以用含鉛水晶玻璃杯小酌一杯令人神清氣爽的單麥芽威士忌了。不摻水的。
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