用于电流检测放大器的差分过压保护电路
加入技术交流群
对于电机控制或电磁控制应用中使用的许多电气系统来说，恶劣的环境是现实的。控制电动机和螺线管的电子设备必须非常靠近用于产生最终应用所需的物理运动的高电流和高电压。除了接近性之外，这些系统通常也是可维修的（例如，可能雇用技术人员来更换洗碗机电磁阀的控制器板），这留下了无意的接线错误的可能性。接近高电流和高电压，加上可能出现错误接线，需要采用包含过压保护的设计。
为了创建高效安全的系统，精密电流检测放大器监控这些应用中的电流。精密放大器电路需要设计成能够防止过压条件，但这些保护电路可能会影响放大器的精度。
通过适当的电路设计，分析和验证，可以在保护和准确性之间取得平衡。本文讨论了两种常见的保护电路，以及这些电路的实现如何影响电流检测放大器的精度。
电流检测放大器
大多数电流检测放大器能够处理高共模电压（CMV），但不能处理高差分输入电压。在某些应用中，存在分流器处的差分输入电压超过放大器的指定最大电压的情况。这在工业和汽车电磁阀控制应用（图1）中很常见，其中可能出现由短路引起的故障状况，使电流检测放大器暴露于可能达到与电池相同电位的高差分输入电压。这种差分过压会对放大器造成损坏，特别是在没有保护电路的情况下。
图1.电磁阀控制应用中的高端电流检测。
过压保护电路
图2显示了电流检测放大器的过压保护的基本连接。当差分输入电压超过给定放大器的最大额定值时，放大器可能开始将电流拉入内部保护二极管。如果输入引脚之间存在较大的差分电压信号，额外的串联电阻R1和R2可防止大电流流向内部保护二极管。
图2.基本过压保护电路。
保护电路容许的最大额定电压和最大输入电流都因器件而异。作为一般经验法则，将通过内部差动保护二极管的电流限制在3 mA，除非有规格表明可以接受更大的值。给定此值，使用以下等式计算R1和R2的值：
其中：VIN_MAX是预期的最大差分电压。VRATED_MAX是最大额定电压（0.7 V）。R是总串联电阻（R1 + R2）。
例如，如果预期的最大瞬态输入电压为10 V，则等式为
如果R =3.1kΩ，那么基于公式1，R1和R2 =1.55kΩ。
相对于某些放大器的输入阻抗，R1和R2的这些值是显着的，并且可能对整个系统性能产生很大的误差。
降低R1和R2值的一种方法是在输入引脚上增加具有更高电流能力的外部保护二极管，如图3所示。
图3.带外部输入差动保护二极管的过压保护电路。
例如，当使用可处理高达500 mA正向电流的Digi-Key B0520LW-7-F肖特基二极管时，R的值降至20Ω。
系统性能的权衡
在放大器的输入端添加串联电阻会降低某些性能参数。在某些放大器中，R1和R2与内部精密电阻串联。在其他放大器中，偏移电流与电阻一起工作以产生偏移电压。更可能受影响的参数是增益误差，共模抑制比（CMRR）和偏移电压。
为了检查串联电阻的潜在影响，测量了两个在输入引脚配置有保护电阻的电流检测放大器。用于评估增益误差，CMRR和失调电压的测试设置如图4所示。该设置使用Agilent E3631A电源为器件提供5 V单电源，Yokogawa GS200精密直流电源，用于差分输入电压信号，用于设置CMV的HAMEG HMP4030，以及用于测量电流检测放大器输出电压的Agilent 3458A精密万用表。
图4.用于评估增益误差，CMRR和偏移电压的测试设置。
这俩AD8210和评估AD8418以测量附加串联电阻对器件的增益误差，CMRR和偏移电压参数的影响。
增益错误
当串联电阻与放大器的输入串联时，它们与放大器的差分输入阻抗形成电阻分压器。电阻分压器会在电路级引入衰减，作为额外的增益误差。具有较低差分输入阻抗的放大器的附加增益误差将更大。
表1列出了AD8210的计算附加增益误差和实际增益误差。AD8418在使用和不使用保护电路的情况下进行了测试。表2显示了计算出的附加增益误差和放大器的实际增益误差。
| R1（Ω） | R2（Ω） | 额外 增益误差（％） | 实际增益 （V / V） | 实际增益 误差（％） |
| 0 | 0 | 0 | 19.9781 | -0.1095 |
| 10.2 | 10.2 | 0.497 | 19.88089 | -0.59705 |
| R1（Ω） | R2（Ω） | 额外 增益误差（％） | 实际增益 （V / V） | 实际增益 误差（％） |
| 0 | 0 | 0 | 19.99815 | -0.00925 |
| 10.2 | 10.2 | 0.013 | 19.9955 | -0.0225 |
在测量结果中，AD8418增益误差偏移0.013％，而AD8210偏移0.497％。AD8418和AD8210的输入阻抗分别为150kΩ和2kΩ，因此AD8418中引入的误差将小于AD8210。
共模抑制比
由于电流检测放大器通常暴露在高CMV的环境中，因此CMRR是最重要的规范之一。CMRR评估器件拒绝高CMV并获得最佳精度和性能的能力。它指的是在放大器的两个输入端施加相等电压时输出电压变化的量度。CMRR定义为差分增益与共模增益之比，通常以分贝为单位。
使用以下等式查找两个放大器的CMRR值：
其中：DM是AD8210和AD8418的差分增益（ADM= 20）。甲CM是共模增益，ΔVOUT/ΔVCM。
当串联电阻与放大器的输入串联时，串联电阻的不匹配会增加内部电阻的任何不匹配，这将影响CMRR。
AD8210和AD8418电流检测放大器的CMRR测量结果分别如表3和表4所示。
| R1（Ω） | R2（Ω） | CMV = 0 V 和4 V（dB） | CMV = 4 V 和6 V（dB） | CMV = 4 V 和65 V（dB） | CMV = 6 V 和65 V（dB） |
| 0 | 0 | -92.77 | -104.96 | -121.49 | -123.35 |
| 10.2 | 10.2 | -94.37 | -107.99 | -121.86 | -123.10 |
| R1（Ω） | R2（Ω） | CMV = 0 V 和35 V（dB） | CMV = 35 V 和70 V（dB） | CMV = 0 V 和70 V（dB） |
| 0 | 0 | -127.72 | -123.72 | -138.39 |
| 10.2 | 10.2 | -88.89 | -104.35 | -93.05 |
结果表明，额外的外部串联电阻的影响是AD8418 CMRR的降低，对AD8210 CMRR的影响较小。AD8418移至89 dB，而AD8210几乎保持不变，为94 dB。对于AD8418和AD8210分别为750kΩ和5MΩ的固定增益器件，两个放大器的共模阻抗相对较高。
偏移电压
当偏置电流通过外部电阻时，它们会产生与器件固有偏移电压串联的误差电压。要计算此附加偏移电压误差，请将输入偏移电流（IOS）（两个输入偏置电流之间的差值）乘以输入引脚上的外部阻抗，如下面的等式所示：
其中：IOS是输入偏移电流。R是额外的外部阻抗。
基于AD8210和AD8418电流检测放大器测量的偏移电压增加分别如表5和表6所示。
| R1（Ω） | R2（Ω） | VOUT（mV） | 附加偏移 电压（RTI）（μV） |
| 0 | 0 | 5.598 | 0 |
| 10.2 | 10.2 | 5.938 | 17 |
| R1（Ω） | R2（Ω） | VOUT（mV） | 附加偏移 电压（RTI）（mV） |
| 0 | 0 | -0.91 | 0 |
| 10.2 | 10.2 | 26.09 | 1.3 |
结果表明，AD8418的失调电压增加幅度大于AD8210的失调电压增幅。这是由AD8418的输入失调电流引起的，大约为100μA。
与输入引脚（一起）串联的任何附加阻抗与输入失调电流相结合，会产生额外的失调电压误差。
结论
在输入引脚上实现额外的串联电阻是保护电流检测放大器免受过压条件影响的简单方法。对增益误差，CMRR和失调电压等性能指标的影响是可测量的，并且与外部电阻的大小和所用的电流检测放大器的类型直接相关。如果设计得当，该电路可以提高应用的差分输入电压额定值，同时适当增加元件数量，并最大限度地降低对精度的影响。
有关稳健放大器的过压保护的更多信息，请参阅模拟对话文章“强大的放大器提供集成的过压保护。“
评论