在低侧電(diàn)流检测中使用(yòng)单端放大器：误差源和布局技巧

2021-08-17

在低侧電(diàn)流检测中使用(yòng)单端放大器：误差源和布局技巧

我们讨论了通用(yòng)运算放大器的同相配置可(kě)用(yòng)于低侧電(diàn)流检测。受TI文(wén)章“如何為(wèi)高性能(néng)、低侧電(diàn)流检测设计布局 PCB ”的启发，本文(wén)试图进一步阐明在低電(diàn)压下使用(yòng)单端放大器时可(kě)能(néng)影响我们测量的误差来源。侧電(diàn)流感应。

在低侧電(diàn)流检测中使用(yòng)单端放大器

低侧检测的主要优点是可(kě)以使用(yòng)相对简单的配置来放大分(fēn)流電(diàn)阻器上的電(diàn)压。例如，通用(yòng)运算放大器的同相配置可(kě)以成為(wèi)需要能(néng)够在消费市场领域竞争的成本敏感型電(diàn)机控制应用(yòng)的有(yǒu)效选择。

基于同相配置的電(diàn)路图如图 1所示。

图1。

但是，这种低成本解决方案可(kě)能(néng)会受到多(duō)种不同错误来源的影响。為(wèi)了准确测量電(diàn)流，我们需要考虑任何可(kě)能(néng)影响電(diàn)路敏感节点（例如放大器输入）的非理(lǐ)想效应。我们将在下面更详细地讨论这个问题。

微量電(diàn)阻

一个重要的误差来源是与 R分(fēn)流器串联出现的 PCB 走線(xiàn)的寄生電(diàn)阻。由于 R shunt在毫欧范围内具有(yǒu)很(hěn)小(xiǎo)的值，任何与 R shunt串联的寄生電(diàn)阻都会导致显着的误差。通过 R杂散对该寄生電(diàn)阻进行建模，我们得到图 2 中的示意图。

图 2。

根据应用(yòng)，I负载可(kě)高达数百安培。因此，即使是很(hěn)小(xiǎo)的 R杂散值也会产生相当大的误差電(diàn)压 V error。该误差電(diàn)压将被放大器的增益放大并出现在输出端。

由于铜電(diàn)阻的温度系数相当高（约 0.4%/°C），R 的值会杂散，因此误差電(diàn)压会随温度变化很(hěn)大。因此，杂散電(diàn)阻会在温度变化很(hěn)大的系统中产生与温度相关的误差。為(wèi)了减少误差電(diàn)压V error，我们应该避免長(cháng)走線(xiàn)以最小(xiǎo)化R杂散。

值得一提的是，消除 R杂散误差的更有(yǒu)效解决方案是使用(yòng)不同的放大器而不是同相配置。从图 2 中可(kě)以看出，同相配置具有(yǒu)单端输入。它检测节点 A 处相对于地的電(diàn)压。然而，差分(fēn)放大器具有(yǒu)差分(fēn)输入并感测 R shunt两端的電(diàn)压。这在图3中示出。

图 3。

差分(fēn)放大器的传递函数由下式给出：

vout=R2/R1(vA−vB)=R2/R1Vshuntvout 

由于放大器的差分(fēn)输入检测分(fēn)流電(diàn)阻两端的電(diàn)压，PCB 走線(xiàn)的電(diàn)阻不会产生误差。我们将在以后的文(wén)章中更详细地研究差分(fēn)放大器配置。

耐焊性

另一个误差来源是与检测電(diàn)阻串联的焊接電(diàn)阻。这在图4中示出。

图 4。

在该图中，负载電(diàn)流按红色箭头方向从左向右流动。垂直走線(xiàn)将分(fēn)流電(diàn)阻连接到放大器输入（In+ 和 In-）。因此，放大器感测 A 点和 B 点之间的電(diàn)压差。感测電(diàn)阻器的实际值将是 R shunt +2R焊料。焊接電(diàn)阻可(kě)以在几百微欧的范围内。

误差变得很(hěn)大，尤其是在使用(yòng)小(xiǎo)分(fēn)流電(diàn)阻器时。例如，对于 0.5 mΩ 分(fēn)流電(diàn)阻器和 I负载= 20 A，来自焊接電(diàn)阻的误差可(kě)能(néng)高达 22%。為(wèi)了解决这个问题，放大器输入应直接连接到分(fēn)流電(diàn)阻器而不是载流迹線(xiàn)。图 5显示了一个示例布局，可(kě)以提供更准确的结果。

图 5。

在这种情况下，有(yǒu)两对 PCB 焊盘：一对用(yòng)于将 R分(fēn)流器连接到负载，另一对用(yòng)于将 R分(fēn)流器连接到放大器输入。在大電(diàn)流应用(yòng)中，放大器吸收的電(diàn)流 (I amp ) 遠(yuǎn)小(xiǎo)于 I load。这就是為(wèi)什么上述布局可(kě)以减少阻焊误差的原因。

為(wèi)了更好地理(lǐ)解这种技术，让我们比较两种情况下的感测電(diàn)压。对于图 4所示的布局，感测電(diàn)压為(wèi)：

vA−vB=(Rshunt+2Rsolder1)×(Iload+Iamp)

由于 I amp比 I load小(xiǎo)得多(duō)，我们有(yǒu)：

vA−vB≈(Rshunt+2Rsolder1)×Iload=RshuntIload+2Rsolder1Iload

在这种情况下，误差為(wèi) 2R焊料 2 I amp，它遠(yuǎn)小(xiǎo)于等式 1的误差，因為(wèi) I amp遠(yuǎn)小(xiǎo)于 I load。这种技术通常称為(wèi)开尔文(wén)传感，可(kě)用(yòng)于许多(duō)应用(yòng)领域。它使我们能(néng)够准确测量阻抗。采用(yòng)开尔文(wén)传感技术的其他(tā)一些 PCB 布局如图 7所示。

图 7.图片（改编）由TI 提供。

您可(kě)以在ADI 公司的“通过改进低值分(fēn)流電(diàn)阻器的焊盘布局优化高電(diàn)流检测精度”中找到更复杂的开尔文(wén)连接布局示例。

您可(kě)能(néng)想知道图 5 和图 7中描述的三种布局中的哪一种可(kě)以实现更准确的测量？应该注意的是，这个问题很(hěn)难回答(dá)，因為(wèi)结果取决于您在设计中使用(yòng)的電(diàn)阻。在报告電(diàn)阻的标称值时，不同的電(diàn)阻制造商(shāng)可(kě)能(néng)会使用(yòng)不同的测量位置。

例如，如果電(diàn)阻制造商(shāng)测量了焊盘内部的電(diàn)阻，则图 7(a) 中的布局可(kě)以為(wèi)我们提供更准确的测量结果。

嘈杂的地面    

图 8显示了另一个错误来源：嘈杂的地面。

图 8。

我们讨论过，由于同相配置具有(yǒu)单端输入，因此它测量节点 A 处相对于地的電(diàn)压。假设我们的電(diàn)路板有(yǒu)一个专用(yòng)的地平面。我们可(kě)以在非常靠近 R分(fēn)流器的地方放置一个通孔，以将 B 点保持在系统地電(diàn)位，并最大限度地减少 PCB 走線(xiàn)電(diàn)阻的误差。另一个敏感节点是节点 C。任何耦合到节点 C 的信号都将被放大并出现在输出端。因此，我们还需要将节点 C 保持在地電(diàn)位。

但是，假设接地有(yǒu)噪声，并且一些電(diàn)流流过接地层，如图 8所示。这将导致节点 B 和 C 之间的電(diàn)位差，而我们理(lǐ)想地期望它们处于相同的電(diàn)位。

假设节点 B 保持在地電(diàn)位，与地電(diàn)流的電(diàn)压差将出现在节点 C 并在输出端引入误差。為(wèi)避免此错误，建议使用(yòng)使节点 B 和 C 彼此非常靠近的 PCB 布局。

把它放在一起

图 9显示了一个考虑到上述因素的示例布局。此示例布局基于 SOT 23封装的运算放大器。

图 9。

请注意，开尔文(wén)连接用(yòng)于检测分(fēn)流電(diàn)阻器两端的電(diàn)压。另请注意，R 1和R分(fēn)流器的接地侧彼此非常靠近。请记住，开尔文(wén)连接有(yǒu)几种不同的焊盘布局。您可(kě)能(néng)需要咨询電(diàn)阻器制造商(shāng)或进行一些实验来确定适合您设计的布局。

您可(kě)以在TI 的“如何為(wèi)高性能(néng)、低侧電(diàn)流感应设计布置 PCB ”中找到 X 2 SON 封装中运算放大器的布局示例。