上橋臂電流檢測通常採用支援擴充套件共模電壓的專用器件，但是專用器件也有自身的限制，例如，當共模電壓高於100v時，專用運放還能精確地測量電流嗎?傳統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後，我們將會發現，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
本文所討論的應用設計是測量150v工業電機控制器的電流。如圖1所示，為能夠精確地測量很小的電流值，我們使用了乙個分流器配合乙個高精度5v運放。
圖1：典型應用
難道150v輸入電壓不會燒毀運放嗎?如果v1電壓是用於給第一級運放op_a提供正電壓(vcc_h)，就不會發生這種情況。
如果連線乙個擊穿電壓為4.7v的齊納二極體，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為齊納二極體提供偏置電流(～5ma)，並為運放的偏置電流提供迴路(～40μa)。
vsense是電流經過電阻rsense時產生的電壓，被電阻r1、r2、r3和r4放大。
p-mosfet(bsp2220)輸出高精度電流，與流經rsense的電流成正比;該電流經過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用於抑制vo電壓。在加裝電阻r5後，當啟動階段有大電流經過輸入引腳時，可以保護op_b的內部esd二極體。
電機控制電路消耗的最大電流是100a。因此，使用乙個100μω分流器時，vsense最大值為10mv。最大輸出電壓取決於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必須高於3.3v。
為確保系統正常工作，必須仔細選擇這些器件引數。為了使op_a輸出不飽和，在選擇引數時必須保證|vgs|電壓值很小。
因為ids保持低電流有助於實現這個目標，所以我們選擇乙個高電阻的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，不應該過高。
在選擇器件引數時，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進入電晶體所需的vgs電壓，且vzener=vcc_h - vcc_l
現在我們看一下這個系統的精度問題。導致放大器精度差的主要原因是電阻不匹配和失調電壓。
誤差分析
電阻不匹配對測量精度的影響
假設所用電阻完美匹配，通過方程式1可以得出輸出電壓。不幸地是，實際情況並不是這樣，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阻值小能夠抑制雜訊。
vio對精度的影響
輸入失調電壓是必須考慮另乙個誤差，在上面的應用中，我們選擇了乙個斬波放大器tsz121，因為這款產品的vio電壓極低，在工作溫度範圍內僅8μv。特別是測量特別小的電流時，這個誤差非常突出。
考慮到傳遞函式，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)的輸入失調電壓，vio2是第二級運放(op1_ b)的輸入失調電壓。因為tsz121的輸入失調電壓極低，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表示在工作溫度範圍內可能出現的最大誤差，考慮到了分流器的精度。
圖2：總誤差，假設電阻精度為1%，rshunt精度為 1%
圖3：總誤差，假設電阻精度為1%，rshunt精度為 1%
結論專用放大器通常用於上橋臂電流檢測，但是在共模電壓高於70v的應用中，應該改用傳統的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電平轉換電路內，需要乙個齊納二極體配合放大器。
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。
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