基于AD8205型高端電流傳感器的PWM電流控制器

1 引言
在許多工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，如電池管理系統(tǒng)、電磁系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電機(jī)控制系統(tǒng)和汽車電氣控制等系統(tǒng)中，都需要高性能電流檢測(cè)和控制。在這些應(yīng)用系統(tǒng)中，大都需要在高共模電壓情況下檢測(cè)小差分電壓以實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的監(jiān)控。

2 電流檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)
在以往的電流監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，電流的檢測(cè)可采用電流互感器、霍爾電流傳感器等隔離型電流傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種方法簡(jiǎn)單可靠，但成本高，且傳感器后一般還需要進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，電路設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。另一種方法是用采樣電阻器與負(fù)載串聯(lián)，將負(fù)載電流經(jīng)過(guò)采樣電阻器轉(zhuǎn)換成電壓后進(jìn)行放大等處理。由于高共模電壓的存在，負(fù)載電流在采樣電阻器上產(chǎn)生的小差分電壓的高精度測(cè)量比較困難，且檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)很復(fù)雜。因此，如何在高共模電壓情況下進(jìn)行小差分電壓檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)高精度電流源控制的前提。本設(shè)計(jì)采用AD8205型高端電流傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的采樣和調(diào)理。
2.1 AD8205簡(jiǎn)介
AD8205是ADI公司推出的單電源高性能差分放大器，其共模電壓輸入范圍為-2 V～65 V，可以承受-5 V~+70 V的輸入共模電壓，適用于在高共模電壓情況下檢測(cè)小差分電壓的工業(yè)設(shè)備，例如采樣電阻器的端電壓。在許多工業(yè)電流檢測(cè)例如液壓系統(tǒng)和電機(jī)控制系統(tǒng)中可使用這種擴(kuò)展共模電壓范圍的器件。AD8205的工作溫度范圍為-40℃~+125℃，在整個(gè)額定溫度范圍內(nèi)具有優(yōu)良的直流性能，其失調(diào)電壓溫漂小于20μV/℃，增益溫漂小于310-5℃(環(huán)境溫度可達(dá)125℃)，測(cè)量環(huán)路誤差小，精度高。其固定增益為50，在直流到100 kHz的頻帶范圍內(nèi)具有高達(dá)80 dB的共模抑制比。AD8205采用8引腳SOIC封裝。
2.2 電流檢測(cè)方式
2.2.1 高端電流傳感器和低端開(kāi)關(guān)方式
如圖1所示，在這種低端開(kāi)關(guān)方式下，PWM控制開(kāi)關(guān)的源極接參考地，感性負(fù)載(如線圈)一端連接電源。采樣電阻器放置在負(fù)載和PWM控制開(kāi)關(guān)之間。當(dāng)PWM開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，采樣電阻器上的共模電壓下降到接近負(fù)向峰值；當(dāng)PWM開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，電壓反轉(zhuǎn)后通過(guò)感性負(fù)載，采樣電阻器上產(chǎn)生的共模電壓為開(kāi)關(guān)電源電壓加續(xù)流二極管的正向壓降。采用這種方式的優(yōu)點(diǎn)是：由于采樣電阻置于電源高側(cè)，因而PWM開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)采樣電阻仍然在電流回路中，使得負(fù)載上的全部電流(包括續(xù)流電流)仍然可以監(jiān)測(cè)，另外，這種方式更容易識(shí)別對(duì)地短路故障，可以實(shí)現(xiàn)電路的短路保護(hù)。

2.2.2 高側(cè)電流傳感器和高側(cè)開(kāi)關(guān)方式
如圖2所示，這種高端開(kāi)關(guān)方式中的PWM開(kāi)關(guān)和采樣電阻器都位于電壓高端，當(dāng)PWM開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，負(fù)載電源將移除，這樣將防止發(fā)生電源對(duì)地短路故障，同時(shí)仍然可以提供和監(jiān)測(cè)續(xù)流電流，以實(shí)現(xiàn)電流控制診斷。在工作過(guò)程中，大部分時(shí)間內(nèi)電源都和負(fù)載隔離，可將負(fù)載對(duì)地之間的差分電壓引起的不良影響減到最小。當(dāng)PWM開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，電源電壓連接到負(fù)載，這時(shí)共模電壓將上升至電源電壓，因此PWM開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，電壓將反轉(zhuǎn)并經(jīng)過(guò)感性負(fù)載，由于續(xù)流二極管的作用，使得采樣電阻器上的共模電壓保持為低于地的二極管導(dǎo)通壓降。這種結(jié)構(gòu)可以將產(chǎn)生不期望出現(xiàn)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和過(guò)電壓的可能性降到最低。

3 電流控制的實(shí)現(xiàn)
輸出電流的控制可以采用線性功率放大器或開(kāi)關(guān)(PWM)功率放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用線性功率放大器實(shí)現(xiàn)的電流控制可以采用高壓功率放大器IC，但是成本高，而且功率放大器的功耗大，效率低。采用PWM功率放大器實(shí)現(xiàn)電流控制有兩種選擇，一種方法是采用PWM功率放大器集成模塊(如美國(guó)ApexMicrotechnology公司的SA系列大功率PWM脈寬調(diào)制放大器)，其電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可靠、精度高、易調(diào)試，但成本高。另一種方法是應(yīng)用PWM器件和MOS開(kāi)關(guān)器件自行設(shè)計(jì)PWM功率放大器，其設(shè)計(jì)成本低，電路較為簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，但精度略低且電磁干擾較嚴(yán)重，不過(guò)經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)和調(diào)試，對(duì)電路板進(jìn)行合理的布局和布線，可以大大提高精度并降低電磁干擾。本設(shè)計(jì)采用UC3842型高性能電流模式PWM控制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出電流的控制。
3.1 UC3842簡(jiǎn)介
UC3842是高性能固定頻率電流模式PWM控制器，設(shè)計(jì)人員采用很少的外部元件就能實(shí)現(xiàn)高性價(jià)比的解決方案。UC3842內(nèi)部包括能進(jìn)行精確占空比控制的可微調(diào)振蕩器、溫度補(bǔ)償電路、高增益誤差放大器、電流取樣比較器和大電流圖騰柱式輸出，是驅(qū)動(dòng)功率MOSEET的理想器件。其保護(hù)特性包括帶滯后的輸入和參考電壓欠壓鎖定、逐周期電流限制、自動(dòng)前饋補(bǔ)償、可編程輸出靜區(qū)時(shí)間和單個(gè)脈沖測(cè)量鎖存等。UC3842在電流模式下的工作頻率可達(dá)500 kHz，有16V通和10V斷的低壓鎖定門限，非常適用于離線轉(zhuǎn)換器。
3.2 PWM電流控制器的實(shí)現(xiàn)
3.2.1 電路結(jié)構(gòu)
采用AD8205型高側(cè)電流傳感器和低側(cè)PWM開(kāi)關(guān)方式檢測(cè)電流，用UC3842型電流模式PWM控制器控制輸出電流的電路結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

3.2.2 工作原理
由圖3可知，負(fù)載連接在輸出端口OUT+和OUT-之間，負(fù)載電流由電源VCC經(jīng)過(guò)電感器L1、采樣電阻器R15和開(kāi)關(guān)管Q30l(IRF640)提供，二極管D3起續(xù)流和箝位作用，采樣電阻器R15上的電流完全等于負(fù)載上的電流，此電流由AD8205拾取并放大(G=50)。給定電流Ig放大后和由AD8205檢測(cè)調(diào)理后的電壓一起送給U3B(LF412)進(jìn)行比較，U3B構(gòu)成具有小PID環(huán)節(jié)的比較器。經(jīng)過(guò)比較后的輸出電壓再由DWl限幅、C3濾波和R8、R9分壓，送到UC3842的電壓反饋誤差放大器輸入端(2腳)，控制UC3842的輸出PWM信號(hào)(6腳)，從而決定開(kāi)關(guān)管Q30l的通斷時(shí)間，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流的控制。
UC3842的8腳、4腳和電阻器R13、電容器C7構(gòu)成振蕩電路，振蕩器的頻率由R13和C7的值決定，電容器C7由5.0 V的參考電壓通過(guò)電阻器R13充電至約2.8 V，再由內(nèi)部電流速放電至1.2 V。在C7放電期間，振蕩器產(chǎn)生內(nèi)部消隱脈沖保持“或非”門的中間輸入為高電平，則輸出為低電平。盡管R13和C7的多種組合可以產(chǎn)生相同的振蕩器頻率，但只有一種組合可以得到給定頻率下的特定輸出靜區(qū)時(shí)間。
電阻器R8、R9、R10和電容C4構(gòu)成誤差放大器補(bǔ)償電路，用于穩(wěn)定任何電流模式拓?fù)?，?dāng)調(diào)節(jié)器在工作且負(fù)載斷開(kāi)，或在軟啟動(dòng)過(guò)程開(kāi)始、引腳1的電壓處于最低狀態(tài)時(shí)，保證在輸出端不出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)脈沖。
最小誤差放大器反饋電阻受限于放大器的拉電流(O.5 mA)和到達(dá)比較器1.0 V箝位電平所需的輸出電壓(VOH)，輸出開(kāi)關(guān)導(dǎo)通由振蕩器開(kāi)始，當(dāng)峰值電感電流到達(dá)誤差放大器輸出建立的門限電平時(shí)終止。這樣，在逐周期基礎(chǔ)上誤差信號(hào)控制電感電流峰值。
電流取樣比較器的門限被內(nèi)部箝位至1.0 V，外部調(diào)節(jié)以降低其門限。通常在電流波形的前沿可以觀察到窄脈沖，當(dāng)輸出較小時(shí)，它可能會(huì)引起輸出不穩(wěn)定。在電流取樣輸入端增加R11和C6構(gòu)成的低通濾波器，使它的時(shí)間常數(shù)接近尖脈沖的持續(xù)時(shí)間，通?？上环€(wěn)定性。
輸出串聯(lián)電阻器R14可衰減由MOSFET輸入電容和柵-源電路中的任何串聯(lián)引線所產(chǎn)生的高頻寄生振蕩。電阻器R5、二極管Dl、D2及電容器C4構(gòu)成軟啟動(dòng)電路。
圖中的U3為L(zhǎng)F412型雙運(yùn)算放大器，其中U3A構(gòu)成同相比例放大器，對(duì)給定電流進(jìn)行調(diào)理；U3B、C1、C2和R6構(gòu)成具有PID特性的比較器，對(duì)給定電流和反饋電流進(jìn)行比較并在上升沿和下降沿進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)更好的動(dòng)態(tài)特性。電容器C9、C10為電源退耦電路，以加強(qiáng)電路的抗干擾能力。

4 結(jié)束語(yǔ)
上述電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，成本低，經(jīng)過(guò)調(diào)試和測(cè)試，完全達(dá)到精度要求，并已成功應(yīng)用到流量、壓力電磁閥的控制中，效果非常理想。當(dāng)然，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需要根據(jù)控制電流的大小適當(dāng)選擇采樣電阻器R15的阻值(AD8205的電壓增益固定為50)和設(shè)置適當(dāng)?shù)慕o定電流放大倍數(shù)。在設(shè)計(jì)PCB板時(shí)，要注意UC3842的PWM控制輸出盡量靠近Q30l型開(kāi)關(guān)管，采樣電阻器R15、電感器Ll、續(xù)流二極管D3也盡量靠近Q301放置，布線要根據(jù)流通電流的大小選擇合適的線寬和過(guò)孔的孔徑，以提高系統(tǒng)的抗EMI性能和抗干擾能力。在電路中，若負(fù)載為純阻性則必須用電感器L1來(lái)平波，若為感性負(fù)載和容性負(fù)載時(shí)則無(wú)需電感器L1。
另外，將LF412替換成單電源(如5 V)低漂移高精度雙運(yùn)算放大器，電路結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步簡(jiǎn)化。還要注意UC3842的工作電源應(yīng)在16 V~36 V之間，電源電壓不要超過(guò)65 V。電路的短路保護(hù)由UC3842的3引腳輸入電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)，此引腳的電壓超過(guò)1 V，則開(kāi)關(guān)管Q301關(guān)斷，所以需要適當(dāng)調(diào)整AD8205輸出端到UC3842的3引腳之間的電壓以實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)。