對於馬達控制或電磁閥控制應用中的許多電氣系統而言，惡劣的環境是必須面對的現實。控制馬達和電磁閥的電子裝置必須非常接近所使用的高電流和電壓，才能產生終端應用所需的實體運動。

除了近距離外，這些系統常常會進行維修(例如，雇用技術人員更改洗碗機電磁閥的控制器板)，這可能會留下無心的接線錯誤。接近高電流和電壓，加上接線不當的可能性，使得進行設計時必須考慮過壓保護。

為了建構高效且安全的系統，必須使用精密電流檢測放大器來監控這些應用中的電流。精密的放大器電路設計需要防止過壓影響，但這種保護電路可能會影響放大器的精確度。

適當地電路設計、分析與驗證，可以在保護和精確度之間達成平衡。本文討論兩種常見的保護電路，以及這些電路的建置如何影響電流檢測放大器的精確度。

電流檢測放大器

大部份的電流檢測放大器可處理高共模電壓(CMV)，但高差分輸入電壓則否。在某些應用中，存在分流器的差分輸入電壓超過放大器的額定最大電壓的情況。這在工業和汽車電磁閥控制應用(圖1)中很常見，其短路可能導致故障，使電流檢測放大器暴露於高差分輸入電壓(可能達到與電池相同電位)之下。這種差分過壓可能損壞放大器，尤其是在沒有保護電路的情況。

*圖1：電磁閥控制應用中的高側電流檢測*

過電壓保護電路

圖2顯示電流檢測放大器的過電壓保護基本連接。當差分輸入電壓超過指定放大器的最大額定值時，放大器就可能開始將電流拉進內部保護二極體。若輸入接腳之間存在大差分電壓訊號，則額外的串聯電阻R1和R2可防止大電流流入內部保護二極體。

*圖2：基本的過電壓保護電路*

保護電路能夠承受的最大額定電壓和最大輸入電流隨元件而異。一般經驗法則是，流過內部差分保護二極體的電流應以3mA為限，除非規格表指明可接受更大的電流值。將該值代入等式1，即可計算R1和R2的值：

其中，VIN_MAX是預計最大差分電壓
VRATED_MAX是最大額定電壓(0.7 V)
R是總串聯電阻(R1+R2)

例如，假設預計最大瞬態輸入電壓為10V，則等式為：

如果R=3.1kΩ，則根據等式1，R1和R2=1.55kΩ。

R1和R2的數值非常大，相對於特定放大器的輸入阻抗，R1和R2可能對總系統性能帶來較大誤差。

降低R1和R2的一種方法是在輸入接腳增加具有更高電流能力的外部保護二極體，如圖3所示。

*圖3：具有外部輸入差分保護二極體的過電壓保護電路：例如使用Digi-Key B0520LW-7-F蕭特基二極體時，可處理高達500mA正向電流，R值降低至20Ω*

系統性能的權衡

在放大器輸入端加入串聯電阻，可能降低某些性能參數。在一些放大器中，R1和R2與內部精密電阻串聯。而在其他放大器中，偏置電流與電阻共同作用產生偏置電壓。更可能受影響的參數是增益誤差、共模抑制比(CMRR)以及偏置電壓。

為了研究串聯電阻的潛在影響，測量了兩款電流檢測放大器，其輸入接腳均配置了保護電阻。用於評估增益誤差、CMRR和偏置電壓的測試設置如圖4所示。該設置採用Keysight E3631A三輸出電源供應器提供5V單電源、Yokogawa GS200精密直流(DC)電源產生差分輸入電壓訊號、HAMEG HMP4030可編程DC電源設置CMV，並且採用Keysight 3458A數位萬用電錶(DMM)測量電流檢測放大器的輸出電壓。

*圖4：評估增益誤差、CMRR和偏置電壓的測試設置：評估AD8210和AD8418元件，測量額外串聯電阻對元件增益誤差、CMRR和偏置電壓參數的影響*

增益誤差

當串聯電阻與放大器輸入端串聯時，將與放大器的差分輸入阻抗一起構成一個電阻分壓器。該電阻分壓器導入一次衰減後，即出現在電路中成為額外增益誤差。放大器的差分輸入阻抗越低，該額外增益誤差越大。

表1顯示AD8210元件經計算得到的額外增益誤差和實際增益誤差。同樣地，分別於存在保護電路與不帶保護電路的情況下測試AD8418。表2顯示該放大器經計算得到的額外增益誤差和實際增益誤差。

實測結果是，AD8418的增益誤差偏移0.013%，而AD8210偏移0.497%。AD8418和AD8210的輸入阻抗分別是150kΩ和2kΩ，因此，在AD8418導致的誤差遠小於AD8210。

共模抑制比

由於電流檢測放大器經常暴露在高CMV的環境中，因此CMRR是最重要的規格參數之一。CMRR可用於衡量元件抑制高CMV和獲得最優精確度與性能的能力。即放大器的兩個輸入端施加相等電壓時，所測得的輸出電壓變化。CMRR定義為差分增益與共模增益之比，通常以dB表示。

使用以下等式計算兩個放大器的CMRR值：

其中，ADM為AD8210和AD8418的差分增益(ADM=20)。ACM為共模增益ΔVOUT/ΔVCM。

當串聯電阻與放大器輸入端串聯時，如果串聯電阻不匹配將會增加到內部電阻上，從而影響CMRR。

電流檢測放大器AD8210和AD8418的CMRR測量結果分別如表3和表4所示。

結果顯示，額外外部串聯電阻的影響是AD8418 CMRR降低，而對AD8210 CMRR的影響相對較小。AD8418變為89dB，AD8210則幾乎保持不變(94dB)。對於AD8418和AD8210這兩款固定增益元件而言，其共模阻抗相對較高，分別為750kΩ和5MΩ。

偏置電壓

當偏置電流流過外部電阻時，會產生一個與元件固有偏置電壓串聯的誤差電壓。為了計算這一額外的偏置電壓誤差，可將輸入偏置電流(IOS，兩個輸入偏置電流之差)乘以輸入接腳上的外部阻抗，如以下等式所示：

其中，IOS為輸入偏置電流；R為額外外部阻抗。

根據AD8210和AD8418電流檢測放大器測量結果的偏置電壓增加量分別如表5和表6所示。

結果顯示，AD8418偏置電壓的增加量大於AD8210偏置電壓的增加量。這是由AD8418約為100μA的輸入偏置電流引起的。

輸入接腳串聯的任何額外阻抗都會與輸入偏置電流結合，產生額外偏置電壓誤差。

保護是性能提升的關鍵

在輸入接腳上增加額外的串聯電阻，才是保護電流檢測放大器免於過壓影響的簡單之道。測量對於增益誤差、CMRR和偏置電壓等性能指標的影響，直接關係到外部電阻的振幅及其所使用的電流檢測放大器類型。若設計得當，電路會改善應用的差分輸入電壓額定值，而元件數量增加非常有限，對精密度的影響也非常小。

活動簡介

未來寬能隙半導體元件會在哪些應用成為主流？元件供應商又會開發出哪些新的應用寬能隙元件的電路架構，以協助電力系統開發商進一步簡化設計複雜度、提升系統整體效率？TechTaipei「寬能隙元件市場與技術發展研討會」將邀請寬能隙半導體的關鍵供應商一一為與會者解惑。

贊助廠商

立即報名