雙通道電流檢測(cè)放大器簡(jiǎn)化了H橋負(fù)載監(jiān)視

引言

H 橋功率晶體管拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)正日益成為從單電源電壓來(lái)對(duì)電動(dòng)機(jī)和其他負(fù)載進(jìn)行雙向驅(qū)動(dòng)的一種常用方法。在大部分場(chǎng)合中，監(jiān)視輸送至負(fù)載的電流和實(shí)時(shí)地利用該信息以提供操作反饋至一個(gè)控制系統(tǒng)具有非常大的好處。在大多數(shù)新型設(shè)計(jì)中，人們往往采用脈寬調(diào)制 (PWM) 方法來(lái)提供高效的可變功率輸送，但是，這樣做會(huì)使負(fù)載的兩端承受極快的電壓瞬變，因而導(dǎo)致儀表問(wèn)題的復(fù)雜化。凌力爾特公司推出的新型高壓側(cè)電流檢測(cè)放大器就能簡(jiǎn)化該問(wèn)題。

測(cè)量 H 橋的負(fù)載電流

負(fù)載監(jiān)視的傳統(tǒng)方法是布設(shè)一個(gè)與負(fù)載相串聯(lián)的小值檢測(cè)電阻，該電阻能夠產(chǎn)生一個(gè)用于代表負(fù)載電流的可測(cè)量電壓降 (見(jiàn)圖 1 )。這里的難處是：當(dāng)執(zhí)行 PWM 操作時(shí)，檢測(cè)電阻器上的共模電壓具有討厭的電壓瞬變，這些電壓瞬變的高頻雜亂信號(hào)會(huì)損害檢測(cè)放大器的操作性能。雖然可對(duì)該雜亂信號(hào)進(jìn)行濾波處理以恢復(fù)有用的低頻信息，但是提供快速故障保護(hù)的能力將隨之喪失。此外，這種“跨接”檢測(cè)電阻器配置還無(wú)法監(jiān)視開(kāi)關(guān)貫通電流，從而造成許多重要的故障模式未被檢測(cè)出來(lái)或處于失控狀態(tài) (例如：開(kāi)關(guān)功能失效) 。

監(jiān)視饋送至每個(gè)半橋的電源電流是一種實(shí)用性強(qiáng)得多的方法 (如圖 2 所示)。該方案提供了簡(jiǎn)化和改善電路性能的多項(xiàng)好處。主要的改進(jìn)是通過(guò)使檢測(cè)電阻器處于一個(gè)相對(duì)恒定的共模電壓 (即：電源電壓) 來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣就可以保持 PWM 電流波形的保真度。另外，通過(guò)在電源側(cè)對(duì)每個(gè)半橋進(jìn)行單獨(dú)監(jiān)視，便能夠很容易地檢測(cè)并可控制功率器件操作失效和負(fù)載接地短路。

通過(guò)采用可產(chǎn)生“極性-大小”控制功能的 PWM 邏輯電路，其中一個(gè)半橋?qū)⑻幱?100% 拉高狀態(tài) (取決于驅(qū)動(dòng)的方向或極性)。負(fù)載電流與通過(guò) 100% (完全接通) 開(kāi)關(guān)輸送的電流相等，而不受另一個(gè)半橋上的 PWM 工作占空比所影響。這允許采用合適的高壓側(cè)檢測(cè)放大法來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流波形的簡(jiǎn)單重建。

簡(jiǎn)單的解決方案

LTC®6103 和 LTC6104 雙通道高壓側(cè)檢測(cè)放大器非常適合于執(zhí)行 H 橋監(jiān)視功能。這兩款器件均具有兩個(gè)電流檢測(cè)輸入通道，并提供了兩個(gè)單向輸出 (LTC6103) 或單個(gè)雙向輸出 (LTC6104)。由于每個(gè)電流檢測(cè)通道均以單向的方式運(yùn)作，因此只對(duì)來(lái)自完全接通的半橋電流進(jìn)行監(jiān)視。

由于另一個(gè)半橋中的電流脈沖方向相反，因此放大器通道保持在一個(gè)截止?fàn)顟B(tài)，而且并不影響讀出操作。這意味著輸出信號(hào)僅反映完全接通的半橋電流，該電流與受控負(fù)載電流相等。

憑借其快速 (微秒級(jí)) 響應(yīng)時(shí)間，這些器件還提供了過(guò)載檢測(cè)功能，從而能夠在出現(xiàn)故障條件的情況下向功率器件保護(hù)電路發(fā)出指示信號(hào)。這兩款器件均采用纖巧型 MSOP-8 封裝 (旨在實(shí)現(xiàn)緊湊的電路板布局)，并能夠在高達(dá) 60V 的電源電壓條件下正常運(yùn)作。由于它們具有 70V 的瞬變電壓承受能力，因而在苛刻的汽車(chē)應(yīng)用中免除了增設(shè)浪涌抑制元件的需要。

LTC6103 的雙路輸出可單獨(dú)地用來(lái)提供過(guò)載檢測(cè)，和/或被用作一個(gè)差分對(duì)以向模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 提供一個(gè)雙向信號(hào) (示例)。圖 3 示出了一款面向普通 H 橋應(yīng)用的典型電路。功率器件可以是互補(bǔ)型 MOSFET、純 N 溝道 MOSFET 或其他的開(kāi)關(guān)器件。當(dāng)橋接器驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí) (在所舉的例子中假設(shè)是一部電動(dòng)機(jī))，LTC6103 的其中一個(gè)輸出將升至地電位以上，而另一個(gè)輸出則保持被下拉至地的狀態(tài)，從而形成了一個(gè)準(zhǔn)確的雙向差分輸出和一個(gè)從不降至地電位以下的共模電壓。輸出電阻的選擇 (本例中為 4.99k) 是可以調(diào)節(jié)的，以滿(mǎn)足任何 ADC 的源阻抗要求。

作為一種替代方案，LTC6104 的輸出結(jié)構(gòu)提供了單個(gè)雙向信號(hào)。輸出線(xiàn)路既可以向一個(gè)負(fù)載電阻供應(yīng)電流，也可以從一個(gè)負(fù)載電阻吸收電流 (取決于哪個(gè)輸入通道正在檢測(cè)電流)。只要引腳 4 (V–) 的電壓比預(yù)期的最低輸出電平至少低 0.5V，則負(fù)向輸出擺幅就將保持線(xiàn)性。如果負(fù)載電阻在引腳 4 接地的情況下回接至一個(gè)合適的基準(zhǔn)電壓 (如圖 4 中的實(shí)例所示)，就能滿(mǎn)足這個(gè)條件。如果引腳 4 被連接至一個(gè)合適的負(fù)電源 (比如：-3V)，則輸出電阻也可以直接回接至地，以形成一個(gè)真正的雙極輸出。

結(jié)論

如果您擁有了正確的放大器，那么設(shè)計(jì)一款 H 橋功率驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載電流監(jiān)視器就不是件難事。LTC6103 和 LTC6104 恰好滿(mǎn)足了這一需要。它們具有雙路檢測(cè)輸入和兩種不同的輸出配置選項(xiàng)，這些特點(diǎn)降低了復(fù)雜性并縮減了印刷電路面積。