IR217x線性電流傳感器IC的使用

　　1. 基本功能

　　這部分主要涵蓋了電流傳感器IC的基本功能。

　　線性電流傳感器IC是為了將電流信號從電機的高端驅(qū)動電路轉(zhuǎn)換倒低端驅(qū)動電路而設(shè)計的，這樣，電流信號就能夠被以地為參考的控制電路來進行處理了。

　　模擬輸入信號實際上是外部取樣電阻上的壓降。隨著電機相電流的變化，取樣電阻上面產(chǎn)生一個很小的交流電壓信號作為IR2175電流傳感器IC的輸入。IR2175的最大輸入電壓為+260mV，因此，過載電流流過取樣電阻時所產(chǎn)生電壓應(yīng)為260mV(例如：對于10A的過載電流，取樣電阻應(yīng)為26mΩ)。

　　在IR2175的高端電路中，交流輸入信號被轉(zhuǎn)換成載頻為130kHz的PWM信號，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換，PWM信號被轉(zhuǎn)換成了以地為參考點的信號。

　　PO是一個開漏的PWM輸出腳，這意味著，它很容易地和工作電壓從3.3V到15V的控制電路進行接口。由于PO是開漏輸出的，因此它上面需要接一個上拉電阻(上拉電阻的大小根據(jù)與PO所連接電路的輸入電流的不同而進行選擇，其典型值為1-10kΩ)。

　　有兩種方法來處理電流傳感器IC的輸出信號：

1．用濾波器濾掉載波信號從而重構(gòu)模擬電流信號；

2．直接和低端數(shù)字控制電路(如：單片機或DSP)進行接口，并用軟件來計算電流。

　　實現(xiàn)方法和電路將在第3、4部分討論。

　　通過自舉電路，可在Vb和Vs之間產(chǎn)生高端懸浮電源，下面將對其進行描述。Vbs電源的最小值為8V，此時，電路可正常工作，但我們推薦Vbs和Vcc電壓要保持在10V以上。

2. 自舉電路

　　Vbs是一個在Vs電壓的峰值上面浮動的電源(在大多數(shù)情況下，Vs是一個高頻方波)。有許多方法可以產(chǎn)生Vbs懸浮電源，其中的一種方法就是在這里我們所講述的自舉電路。這個方法的優(yōu)點是簡單、便宜，但是它也有一些局限性，例如：為了刷新自舉電容的電荷就限制了占空比(長的導(dǎo)通時間及較高的占空比就需要充電泵，詳細內(nèi)容請參考應(yīng)用筆記AN978)。自舉電源是由一個二極管(Dbs)和一個電容器(Cbs)組成的，如圖1所示。

圖1 典型連接圖

　　自舉電路的工作原理是：當Vs被下拉到地(或者通過低端FET或者負載，這和電路的結(jié)構(gòu)有關(guān))，自舉電容(Cbs)通過自舉二極管(Dbs)從15V的Vcc電源進行充電，從而提供了電源Vbs。當Vs通過高端開關(guān)被拉到最高電壓時，Vbs是浮動的，并且此時自舉二極管被反向偏置，從而阻斷了充電回路。

3. 在輸出端重構(gòu)模擬電流信號

　　重構(gòu)模擬電流信號的最簡單、最廉價的方法就是用低通濾波器濾掉PWM信號的載波。有很多種低通濾波器可以使用——無源的和有源的。這里我們集中在簡單和低成本上，因此我們考慮兩種選擇：無源RC濾波器和一階有源濾波器。

3.1無源濾波器

　　最簡單、最廉價的低通濾波器就是基本的RC低通濾波器。這種濾波器沒有精確的截止頻率，典型的下降斜率是6分貝每十倍頻程，因此電路的-3d點應(yīng)設(shè)計成接近電流信號的基頻，在電機驅(qū)動中，它一般在8-10kHz的范圍內(nèi)。較好的解決方法是用一個二階RC濾波器，如圖2所示。

圖2 二階RC 濾波電路

　　這個例子中，第一階被設(shè)計為7.2kHz的截止頻率，即用標準的公式：

　　并使R1=10kΩ , C1=2.2nF。第二階我們使用更高的截止頻率來進一步地削弱開關(guān)頻率，但是對8-10kHz的載頻有很小的影響，因此R2=18kΩ, C2=470pF，因此，第二階的截止頻率為19kHz。使第二階的阻抗高于第一階的阻抗是一個很好的選擇，這可以減小第一階的負載阻抗。

　　在IR2175的PO輸出端上，使用上面的濾波器，我們可以同時檢測一個直流電流信號和一個8kHz的交流電流信號的線性。在一個典型的應(yīng)用電路中，引入了電流傳感器IC的交流電流信號，因此交流線性是很重要的測量方法，并且這也是我們所關(guān)心的。

　　典型情況和在這里我們作為一個例子所使用的是一個8kHz 交流輸入信號，用交流輸入信號在濾波器(使用了一個150nF的去耦電容器)上面測量其輸出。圖3為輸出信號頻率為130kHz 的IR2175的交流線性特性曲線。在下面的特性曲線中，當電壓降至25mV時，理想情況下的線性要高于1%，此時，實際值同理想值的差是3%。

圖3 帶有二階RC低通濾波器 的IR2175的交流特性

　　我們再次用RC濾波器來描述IR2175的特性，但這次用16kHz的輸入信號(一些電機驅(qū)動系統(tǒng)正傾向于將這個頻率作為PWM信號的開關(guān)頻率)并且將圖2中的R1改為4.7kΩ，此時的截止頻率為15.5kHz，我們所得到的特性曲線如圖4。

圖4 帶有二階RC低通濾波器 的IR2175的交流特性

　　我們再次得到了所期望的優(yōu)于1%的理想值的線性特性曲線。當輸入電壓降至最小分辨率為8mV時，它偏離了理想值。

　　為了比較，我們看一下在8kHz 的交流輸入信號下，IR2172的交流線性特性。IR2172的PWM信號的載頻為40kHz，我們采用和圖3相同的濾波電路來進行測試。測試結(jié)果見圖5。PWM信號的載頻越低，精度越低，這就導(dǎo)致了在線性方面的性能較低，尤其是在低電平輸入的條件下。

圖5 帶有二階RC低通濾波器 的IR2172的交流特性

　　通常情況下，有源濾波器較無源濾波器相比，它有一個精確的截止頻率點，在下面的部分，我們將看到它是如何實現(xiàn)的。

　　注：由于PO腳上負載的不同，我們不推薦使用無源的LC濾波器。

3.2 有源濾波器

　　典型情況下，有源濾波器較無源濾波器相比，它有一個精確的截止頻率。在我們所期望的通頻帶是8kHz，濾波器的輸出頻率是40kHz的情況下，有源濾波器有一個更好的特性。在這個例子中，我們使用的是IR2172，但這個電路可以很容易地用于IR2175。

　　這里，作為一個例子，我們使用一個一階VCVS(電壓控制電壓源)濾波器。圖6是其電路原理圖。這是一個基本增益為19的巴特沃斯濾波器。對于這種類型的濾波器來說，通常我們選擇較高的增益，其截止頻率是9kHz，它非常接近實際的輸出頻率。

　　圖7示出了與RC濾波器同樣的測試條件下的交流線性特性，可以看到它較無源濾波器的性能有很大的提高。輸入電壓下降到50mV時，其線性高于1%，在25mV時大約為9%。

圖6 一階VCVS有源濾波器

圖7 一階VCVS有源濾波器的交流特性

　　通過加上另一階，可以進一步提高濾波器的性能，但是，達到這個性能的成本問題將決定這是否是必需的。

4. 輸出端和數(shù)字電路的接口

　　在硬件方面，IR2175和諸如微控制器或DSP等數(shù)字電路的接口也是非常簡單的。然而，軟件算法則括包很多工作。但它可以限制我們在第3部分所討論的電路的引入誤差。其實，當初IR217x是為這種應(yīng)用而設(shè)計的。

4.1硬件連接

　　由于IR2175和IR2171/2的PO輸出端是開漏輸出的，它和數(shù)字控制電路(如3.3V或5V供電的微控制器或DSP)接口時要接一個上拉電阻。接口電路見圖8。

圖8 IR217x和數(shù)字控制器的接口電路

4.2 軟件算法

　　使用DSP和線性電流傳感器的例子可在設(shè)計提示DT99-8中找到。設(shè)計提示給出了IR2171/IR2172與TI的DSP: TMS320C240的硬件電路和軟件算法。

5. 在VS腳處理瞬時負偏壓

　　注意：電流傳感器IC要求有它們自已的單獨的瞬時負偏壓保護電路，這是由于它們和門極驅(qū)動器是不同步的。

　　對于電流傳感器IC來說，Vs腳相對于COM腳的負偏壓是非常危險的，這是于：不像門極驅(qū)動器，而電流傳感器IC在轉(zhuǎn)換期間要繼續(xù)工作，此時高端的開關(guān)正在關(guān)斷，正是這個原因，保證電流傳感器IC在Vs腳沒有瞬時負偏壓是很重要的。在Vs腳的瞬時負偏壓問題的更詳細的內(nèi)容，可以在設(shè)計提示DT97-3中找到。

　　注意，在典型的連接電路中，從COM腳 到Vs腳連接有一個二極管，在Vs與半橋輸出間連接有一個電阻。這兩個元件可以對Vs腳進行鉗位，因此Vs腳可以較COM腳低一個二極管的壓降。二極管應(yīng)該是一個恢復(fù)時間小于100ns快恢復(fù)二極管，1A就足夠了。在Vs管腳和半橋輸出之間的電阻應(yīng)該在10-20Ω的范圍內(nèi)。

　　注意，盡管在Vs腳和半橋輸出之間的電阻是電流傳感的通道(例如：在V+和V-之間)，但它沒有電流感應(yīng)信號，除非有電流流入這個電阻，這種情況僅僅發(fā)生在轉(zhuǎn)換期間，并且持續(xù)時間很短，因此在IR2175輸入端被運算放大器忽略，這是由于該運算放大器的擺率是有限的。

6. 布線建議

　　所有的電力電子電路的布局布線都是以減小寄生電感、電容為基礎(chǔ)的。下面的圖9是一個典型的半橋電路和雜散電感電路。在電路板上通過盡量減小走線距離、加大導(dǎo)線寬度來減小雜散電感。

圖9 有雜散電感的典型半橋電路

　　對于IR2175電流傳感器IC來說，它們的布局布線原則同門極驅(qū)動器的布局布線原則是類似的，如圖10所示，在Vcc和Vbs上的去耦電容應(yīng)盡可能的靠近IC，同時，在V-和Vs之間的連線也應(yīng)靠近IC，從而來減小這兩個管腳之間的壓差。取樣電阻和V+之間的連線也要盡可能的短，以便盡可能的來減小噪聲耦合。

圖10 去耦電容器的設(shè)計

　　圖11是IR2175的一個布局布線的例子，這是圖1電路的典型的連接圖。注意，縮短取樣電阻和IR2175之間的連線可以減小耦合到電流取樣信號中的噪聲，保持較寬的電流引線以減小雜散電感。由R2和D2組成的瞬時負偏壓保護電路要盡可能的靠近IC，以便有最大效果。Vcc和Vbs上的去耦電容器也要盡可能的靠近IC管腳。

圖11 典型的IR2175電路布局布線圖

7.　dv/dt和及其對占空比的影響

　　這可以作為電流傳感器IC的CMRR(共模抑制比)進行描述。在高端懸浮但有沒開關(guān)切換的情況下(即Vs腳的電壓是固定的)，占空比不會有波動。

　　然而，電流傳感器IC很可能被用在和圖1的典型電路圖中所示出的相似的電路中，在圖1中Vs管腳被連接到半橋的輸出，在三相半橋電路中，我們要用兩個電流傳感器IC來測量電機的相電流。在這個應(yīng)用中，Vs管腳和電流傳感器的高端電路將在地或接近接地與正直流母線之間擺動，因此每次轉(zhuǎn)換時都有dV/dt。在Vs腳轉(zhuǎn)換期間，dV/dt將使PO腳上的輸出信號的占空比產(chǎn)生微小的波動。在這種情況下， IR2175輸出信號的占空比波動2%(直流母線電壓為300V)。下面的表1列出了當dV/dt為正或為負時，在不同的直流母線電壓下，IR2171/2和IR2175的典型的占空比的波動情況。表中的結(jié)果是在IR AcceleratorTM伺服電機控制設(shè)計平臺上測得的。

　　在電機驅(qū)動電路的例子中，這將被轉(zhuǎn)換成電機的轉(zhuǎn)矩波動，對此，我們應(yīng)該引起重視。

表1 IR217X 電流傳感器IC的典型的占空比的波動(CMRR)

8. IR2170/1/2/5的比較

下面的表2列出了不同的電流傳感器IC功能的區(qū)別。

圖2 IR217X 電流傳感器IC的比較

重要提示： IR2171/IR2172需要進行隔離，因此對于新的設(shè)計應(yīng)該使用IR2175。