电流检测放大器的差分过压保护电路

简介

恶劣环境是电机控制或电磁阀控制应用中的许多电气系统必须面对的现实。控制电机和电磁阀的电子装置需要非常接近使终端应用发生物理运动的高电流和电压。除了近距离外，这些系统常常会进行维修(例如，雇佣技工更改洗碗机电磁阀的控制器板)，这就为非故意的接线错误留下了可能性。接近高电流和电压，加上接线不当的可能性，要求设计需要考虑过压保护。

为了构建高效安全的系统，须使用精密电流检测放大器来监控这些应用中的电流。精密放大器电路设计需要防止过压影响，但这种保护电路可能会影响放大器的精度。适当地设计、分析和验证电路，可以在保护和精度之间达成平衡。本文讨论两种常见保护电路，以及这些电路的实施会如何影响电流检测放大器的精度。

电流检测放大器

大部分电流检测放大器可处理高共模电压(CMV)，但不能处理高差分输入电压。在某些应用中，存在分流器的差分输入电压超过放大器的额定最大电压的情况。这在工业和汽车电磁阀控制应用(图1)中很常见，短路可能会引发故障，将电流检测放大器暴露于高差分输入电压(其可能达到与电池相同的电位)之下。这种差分过压可能会损坏放大器，尤其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显示电流检测放大器的过压保护基本连接。当差分输入电压超过指定放大器的最大额定值时，放大器就可能会将电流拉入内部保护二极管。若输入引脚之间存在大差分电压信号，则额外的串联电阻R1和R2可防止大电流流入内部保护二极管。

图2. 基本过压保护电路

保护电路能够承受的最大额定电压和最大输入电流随器件而不同。一般经验法则是，流过内部差分保护二极管的电流应以3 mA为限，除非规格书指明可接受更大的电流值。将该值代入以下等式，计算R1和R2的值：

其中：VIN_MAX是预计最大差分电压。VRATED_MAX是最大额定电压(0.7 V)。R是总串联电阻(R1 + R2)。例如，假设预计最大瞬态输入电压为10 V，则等式为：

如果R = 3.1 kΩ，则根据等式1，R1和R2 = 1.55 kΩ。R1和R2的这些数值非常大，考虑到特定放大器的输入阻抗，R1和R2会对总系统性能贡献较大误差。

降低R1和R2的一种方法是在输入引脚增加电流能力更高的外部保护二极管，如图3所示。

图3. 外置输入差分保护二极管的过压保护电路

例如，使用Digi-Key B0520LW-7-F肖特基二极管时(该二极管可处理高达500 mA正向电流)，R值降低至20 ?。

系统性能的权衡

在放大器输入端加入串联电阻可能会降低某些性能参数。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，失调电流与电阻一同产生失调电压。更有可能受影响的参数是增益误差、共模抑制比(CMRR)和失调电压。

为了研究串联电阻的潜在影响，测量了两款电流检测放大器，其输入引脚均配置有保护电阻。评估增益误差、CMRR和失调电压的测试设置如图4所示。该设置采用Agilent E3631A电源向器件提供5 V单电源，采用Yokogawa GS200精密直流源产生差分输入电压信号，采用HAMEG HMP4030设置CMV，采用Agilent 3458A精密万用表测量电流检测放大器的输出电压。