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如何計算電流測量精度以提高功能安全

發(fā)布時間:2021-10-17 來源:Dan Harmon 責任編輯:wenwei

【導讀】隨著功能安全要求日益受到重視,改進系統(tǒng)診斷功能勢在必行。其中,電流測量便是診斷評估的一項重要內(nèi)容。要確定設(shè)計的測量精度,務(wù)必要了解誤差源。

 

正如之前在信號鏈基礎(chǔ)知識 #141中所述,了解如何解讀數(shù)據(jù)表對于計算高側(cè)電流測量的精度非常重要。此外,了解外部元件的影響對于獲得正確的電流測量結(jié)果也至關(guān)重要。

 

高側(cè)電流檢測實現(xiàn)

 

在高側(cè)配置中,有兩種常用的電流測量方法:

 

●     使用差分運算放大器,如圖1所示。

 

如何計算電流測量精度以提高功能安全

圖1 用于高側(cè)電流測量的運算放大器電路

 

使用電流檢測放大器,如圖2所示。

 

 

如何計算電流測量精度以提高功能安全

圖2 用于高側(cè)電流測量的電流檢測放大器電路

 

這兩種方法具有一些根本的區(qū)別,主要體現(xiàn)在電流檢測放大器集成了增益電阻器網(wǎng)絡(luò),而運算放大器則使用外部分立式電阻器作為其增益網(wǎng)絡(luò)。無論您使用哪種方案,基本系統(tǒng)傳遞函數(shù)都適用,如公式1所示:

 

如何計算電流測量精度以提高功能安全   公式1

 

其中

 

●     y是輸出電壓 (VOUT)。

●     m 是系統(tǒng)增益,對于此系統(tǒng)為RSHUNT×G。G是為大多數(shù)電流檢測放大器預(yù)定義的,而對于運算放大器,則為RF/RI。

●     x是輸入電流(I)。

●     b 是系統(tǒng)的失調(diào)電壓。如果系統(tǒng)測量雙向電流,當輸入電流為零時,b 是輸出電壓。如果單向測量,b 在0A下的理想電壓為0V,但它可能會受到放大器輸出擺幅規(guī)格的限制。對于運算放大器和電流檢測放大器,VOFFSET 通常是以輸入為參考規(guī)格。因此,b 實際上還需要考慮系統(tǒng)的增益。

 

電流測量的傳遞方程可改寫為公式2:

 

如何計算電流測量精度以提高功能安全   公式2

 

基于此基本傳遞函數(shù),有兩種誤差類型:增益和失調(diào)電壓。

 

增益誤差

 

系統(tǒng)增益誤差有兩個主要來源:分流電阻器和放大器增益。分流電阻器誤差對于運算放大器或電流檢測放大器是常見的,通過查看電阻器規(guī)格表很容易確定,而放大器的增益誤差則取決于選擇的放大器方案。

 

對于差分運算放大器方案,如前所述,增益是兩個電阻器的比率,即RF/RI。要計算誤差,需查看電阻器的數(shù)據(jù)表。典型分立增益網(wǎng)絡(luò)電阻器的容差為0.5%、100ppm/°C。要計算此比率的最大誤差,需假設(shè)一個電阻處于最大值,而另一個電阻處于最小值。這會在室溫下產(chǎn)生1%的誤差,并且由于假設(shè)會發(fā)生反向漂移,因此在125°C下為3%。

 

對于電流檢測放大器,增益誤差通常列在數(shù)據(jù)表中。圖3 顯示了德州儀器(TI)INA186-Q1的增益誤差??梢钥吹?,室溫下的增益誤差為1.0%。溫漂為10ppm/°C時,125°C下的增益誤差為1.1%。

 

如何計算電流測量精度以提高功能安全

圖3 INA186-Q1增益誤差和增益誤差漂移規(guī)格數(shù)據(jù)表

 

這是TI電流檢測放大器的一個主要優(yōu)勢:精度匹配的集成增益網(wǎng)絡(luò)可更大限度地減少溫漂效應(yīng)。對于運算放大器電路,您可以使用精度匹配的電阻器網(wǎng)絡(luò),但它們會顯著提高方案成本。

 

偏移誤差

 

如上所述,輸出失調(diào)電壓必須包括增益。由于失調(diào)電壓通常指定為以輸入為參考,因此公式3按如下所示計算失調(diào)電壓誤差:

 

如何計算電流測量精度以提高功能安全   公式3

 

從公式3中可以看出,當VSHUNT (IxRSHUNT) 接近失調(diào)電壓值時,失調(diào)電壓誤差很重要,并且隨著電流變?yōu)?,失調(diào)電壓誤差將接近無窮大。相反,如果VSHUNT >>VTOTAL OFFSET,那么此誤差項將接近0。

 

總輸入?yún)⒖际д{(diào)電壓具有三個主要組成部分:

 

放大器VOFFSET 規(guī)格和漂移。

 

共模抑制比(CMRR)。

 

電源抑制比(PSRR)。

 

由于放大器的VOFFSET 通常在固定共模電壓和電源電壓下指定,因此CMRR和PSRR也是造成失調(diào)電壓誤差的因素。圖4 顯示了INA186-Q1的固定值,圖5顯示了常用運算放大器TI TLV2186的固定值。

 

如何計算電流測量精度以提高功能安全

圖4 INA186-Q1在固定共模電壓和電源電壓規(guī)格下的CMRR和PSRR數(shù)據(jù)表

 

如何計算電流測量精度以提高功能安全

圖5 TLV2186在固定共模電壓和電源電壓規(guī)格下的CMRR和PSRR數(shù)據(jù)表

 

正如信號鏈基礎(chǔ)知識 #141 中所述,數(shù)據(jù)表中電流檢測放大器的VOFFSET 指定方式與運算放大器不同。具體而言,電流檢測放大器失調(diào)電壓包括集成電阻器網(wǎng)絡(luò)的影響,而運算放大器VOFFSET 僅適用于器件。運算放大器方案中的總失調(diào)電壓需要將外部電阻器的影響考慮在內(nèi)。

 

由于電流從共模電壓流經(jīng)外部電阻器,因此可將外部電阻器視為導致共模抑制誤差的原因。假設(shè)所有四個增益電阻器具有相同的容差,根據(jù)公式4,電路的增益和電阻器的容差將確定“電阻器CMRR”:

 

如何計算電流測量精度以提高功能安全   公式4

 

圖6 所示為不同增益和電阻器容差下計算出的電阻器CMRR(以分貝為單位),您可從中看到不同增益和電阻器容差所產(chǎn)生的影響。

 

如何計算電流測量精度以提高功能安全

圖6 在三種不同增益配置、不同電阻容差下計算出的CMRR值

 

對于電流檢測放大器,只需將CMRR和PSRR的影響添加到器件的失調(diào)電壓規(guī)格中,即可計算出總輸入失調(diào)電壓。通常會在整個溫度范圍內(nèi)指定CMRR和PSRR;因此,任何漂移影響都已考慮在內(nèi)。但是,計算不同溫度下的誤差時必須考慮溫漂。

 

總誤差

 

理論上,最壞情況下的總誤差只是各個誤差項的總和。從統(tǒng)計學角度講,所有誤差同時發(fā)生的這種情況不太可能發(fā)生。因此,使用平方和根方法(公式5)計算一階總誤差:

 

如何計算電流測量精度以提高功能安全   公式5

 

圖7列出了使用INA186-Q1和TLV2186且增益為20時的關(guān)鍵性能指標。

 

如何計算電流測量精度以提高功能安全

圖7 使用INA186-Q1或TLV2186實現(xiàn)高側(cè)電流測量應(yīng)用的關(guān)鍵性能指標

 

圖8展示了兩種方案使用10mΩ、0.5%、50ppm/°C RSHUNT 分別在室溫和125°C 時用公式5計算得出的以下誤差曲線。

 

如何計算電流測量精度以提高功能安全

圖8 高側(cè)電流測量方案結(jié)合使用INA186-Q1或TLV2186以及10mΩ、0.5%、50ppm/°C RSHUNT 時的平方和根誤差曲線

 

從圖7和圖8中可以看出,外部增益電阻器是分立式方案的主要誤差源,在溫度變化時尤為明顯。校準可以更大限度地降低室溫下的失調(diào)電壓誤差,但溫漂不容易校準。

 

總結(jié)

 

通過增加可實現(xiàn)的設(shè)計裕度,提高電流檢測方案的精度可以提高系統(tǒng)的診斷能力。但與任何電子系統(tǒng)一樣,提高精度通常需要增加系統(tǒng)成本。通過了解不同工作條件下的誤差源及其影響,您能夠在成本和精度之間做出適當?shù)臋?quán)衡。

 

參考文獻

 

●     下載 INA186-Q1 數(shù)據(jù)表。

●     下載 TLV2186數(shù)據(jù)表。

 

關(guān)于作者

 

Dan Harmon是TI電流和位置檢測產(chǎn)品線的汽車營銷經(jīng)理。在他33多年的職業(yè)生涯中,他曾為多種技術(shù)和產(chǎn)品提供支持,包括接口產(chǎn)品、成像模擬前端和電荷耦合器件傳感器。他還擔任過TI USB Implementers Forum代表和TI USB 3.0 Promoter’s Group主席。Dan擁有戴頓大學電氣工程學士學位,以及德克薩斯大學阿靈頓分校電氣工程碩士學位。

 

關(guān)于德州儀器(TI)

 

德州儀器(TI)(納斯達克股票代碼:TXN)是一家全球化的半導體公司,致力于設(shè)計、制造、測試和銷售模擬和嵌入式處理芯片,用于工業(yè)、汽車、個人電子產(chǎn)品、通信設(shè)備和企業(yè)系統(tǒng)等市場。我們致力于通過半導體技術(shù)讓電子產(chǎn)品更經(jīng)濟實用,創(chuàng)造一個更美好的世界。如今,每一代創(chuàng)新都建立在上一代創(chuàng)新的基礎(chǔ)之上,使我們的技術(shù)變得更小巧、更快速、更可靠、更實惠,從而實現(xiàn)半導體在電子產(chǎn)品領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,這就是工程的進步。這正是我們數(shù)十年來乃至現(xiàn)在一直在做的事。 欲了解更多信息,請訪問公司網(wǎng)站www.ti.com.cn。

 

 

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