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(hào)從電機(jī)的高端驅(qū)動(dòng)電路轉(zhuǎn)換倒低端驅(qū)動(dòng)電路而設(shè)計(jì)的，這樣，電流信號(hào)就能夠被以地為參考的控制電路來(lái)進(jìn)行處理了。

　　模擬輸入信號(hào)實(shí)際上是外部取樣電阻上的壓降。隨著電機(jī)相電流的變化，取樣電阻上面產(chǎn)生一個(gè)很小的交流電壓信號(hào)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(guò)載電流流過(guò)取樣電阻時(shí)所產(chǎn)生電壓應(yīng)為260mV(例如：對(duì)于10A的過(guò)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(hào)被轉(zhuǎn)換成載頻為130kHz的PWM信號(hào)，經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換，PWM信號(hào)被轉(zhuǎn)換成了以地為參考點(diǎn)的信號(hào)。

　　PO是一個(gè)開(kāi)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(jìn)行接口。由于PO是開(kāi)漏輸出的，因此它上面需要接一個(gè)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(jìn)行選擇，其典型值為1-10kΩ)。

　　有兩種方法來(lái)處理電流傳感器IC的輸出信號(hào)：

1．用濾波器濾掉載波信號(hào)從而重構(gòu)模擬電流信號(hào)；

2．直接和低端數(shù)字控制電路(如：?jiǎn)纹瑱C(jī)或DSP)進(jìn)行接口，并用軟件來(lái)計(jì)算電流。

　　實(shí)現(xiàn)方法和電路將在第3、4部分討論。

　　通過(guò)自舉電路，可在Vb和Vs之間產(chǎn)生高端懸浮電源，下面將對(duì)其進(jìn)行描述。Vbs電源的最小值為8V，此時(shí)，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(gè)在Vs電壓的峰值上面浮動(dòng)的電源(在大多數(shù)情況下，Vs是一個(gè)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(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)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(zhǎng)的導(dǎo)通時(shí)間及較高的占空比就需要充電泵，詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參考應(yīng)用筆記AN978)。自舉電源是由一個(gè)二極管(Dbs)和一個(gè)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(dāng)Vs被下拉到地(或者通過(guò)低端FET或者負(fù)載，這和電路的結(jié)構(gòu)有關(guān))，自舉電容(Cbs)通過(guò)自舉二極管(Dbs)從15V的Vcc電源進(jìn)行充電，從而提供了電源Vbs。當(dāng)Vs通過(guò)高端開(kāi)關(guān)被拉到最高電壓時(shí)，Vbs是浮動(dòng)的，并且此時(shí)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(hào)

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

3.1無(wú)源濾波器

　　最簡(jiǎn)單、最廉價(jià)的低通濾波器就是基本的RC低通濾波器。這種濾波器沒(méi)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(diǎn)應(yīng)設(shè)計(jì)成接近電流信號(hào)的基頻，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)中，它一般在8-10kHz的范圍內(nèi)。較好的解決方法是用一個(gè)二階RC濾波器，如圖2所示。

圖2 二階RC 濾波電路

　　這個(gè)例子中，第一階被設(shè)計(jì)為7.2kHz的截止頻率，即用標(biāo)準(zhǔn)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(lái)進(jìn)一步地削弱開(kāi)關(guān)頻率，但是對(duì)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(gè)很好的選擇，這可以減小第一階的負(fù)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(shí)檢測(cè)一個(gè)直流電流信號(hào)和一個(gè)8kHz的交流電流信號(hào)的線性。在一個(gè)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(hào)，因此交流線性是很重要的測(cè)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(gè)例子所使用的是一個(gè)8kHz 交流輸入信號(hào)，用交流輸入信號(hào)在濾波器(使用了一個(gè)150nF的去耦電容器)上面測(cè)量其輸出。圖3為輸出信號(hào)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(dāng)電壓降至25mV時(shí)，理想情況下的線性要高于1%，此時(shí)，實(shí)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?cè)俅斡肦C濾波器來(lái)描述IR2175的特性，但這次用16kHz的輸入信號(hào)(一些電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)正傾向于將這個(gè)頻率作為PWM信號(hào)的開(kāi)關(guān)頻率)并且將圖2中的R1改為4.7kΩ，此時(shí)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?cè)俅蔚玫搅怂谕膬?yōu)于1%的理想值的線性特性曲線。當(dāng)輸入電壓降至最小分辨率為8mV時(shí)，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(hào)下，IR2172的交流線性特性。IR2172的PWM信號(hào)的載頻為40kHz，我們采用和圖3相同的濾波電路來(lái)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖5。PWM信號(hào)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(wú)源濾波器相比，它有一個(gè)精確的截止頻率點(diǎn)，在下面的部分，我們將看到它是如何實(shí)現(xiàn)的。

　　注：由于PO腳上負(fù)載的不同，我們不推薦使用無(wú)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(wú)源濾波器相比，它有一個(gè)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(gè)更好的特性。在這個(gè)例子中，我們使用的是IR2172，但這個(gè)電路可以很容易地用于IR2175。

　　這里，作為一個(gè)例子，我們使用一個(gè)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(gè)基本增益為19的巴特沃斯濾波器。對(duì)于這種類型的濾波器來(lái)說(shuō)，通常我們選擇較高的增益，其截止頻率是9kHz，它非常接近實(shí)際的輸出頻率。

　　圖7示出了與RC濾波器同樣的測(cè)試條件下的交流線性特性，可以看到它較無(wú)源濾波器的性能有很大的提高。輸入電壓下降到50mV時(shí)，其線性高于1%，在25mV時(shí)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(guò)加上另一階，可以進(jìn)一步提高濾波器的性能，但是，達(dá)到這個(gè)性能的成本問(wèn)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(jiǎn)單的。然而，軟件算法則括包很多工作。但它可以限制我們?cè)诘?部分所討論的電路的引入誤差。其實(shí)，當(dāng)初IR217x是為這種應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。

4.1硬件連接

　　由于IR2175和IR2171/2的PO輸出端是開(kāi)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(shí)要接一個(gè)上拉電阻。接口電路見(jiàn)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(jì)提示DT99-8中找到。設(shè)計(jì)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(shí)負(fù)偏壓

　　注意：電流傳感器IC要求有它們自已的單獨(dú)的瞬時(shí)負(fù)偏壓保護(hù)電路，這是由于它們和門極驅(qū)動(dòng)器是不同步的。

　　對(duì)于電流傳感器IC來(lái)說(shuō)，Vs腳相對(duì)于COM腳的負(fù)偏壓是非常危險(xiǎn)的，這是于：不像門極驅(qū)動(dòng)器，而電流傳感器IC在轉(zhuǎn)換期間要繼續(xù)工作，此時(shí)高端的開(kāi)關(guān)正在關(guān)斷，正是這個(gè)原因，保證電流傳感器IC在Vs腳沒(méi)有瞬時(shí)負(fù)偏壓是很重要的。在Vs腳的瞬時(shí)負(fù)偏壓?jiǎn)栴}的更詳細(xì)的內(nèi)容，可以在設(shè)計(jì)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(gè)二極管，在Vs與半橋輸出間連接有一個(gè)電阻。這兩個(gè)元件可以對(duì)Vs腳進(jìn)行鉗位，因此Vs腳可以較COM腳低一個(gè)二極管的壓降。二極管應(yīng)該是一個(gè)恢復(fù)時(shí)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(méi)有電流感應(yīng)信號(hào)，除非有電流流入這個(gè)電阻，這種情況僅僅發(fā)生在轉(zhuǎn)換期間，并且持續(xù)時(shí)間很短，因此在IR2175輸入端被運(yùn)算放大器忽略，這是由于該運(yùn)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(gè)典型的半橋電路和雜散電感電路。在電路板上通過(guò)盡量減小走線距離、加大導(dǎo)線寬度來(lái)減小雜散電感。

圖9 有雜散電感的典型半橋電路

　　對(duì)于IR2175電流傳感器IC來(lái)說(shuō)，它們的布局布線原則同門極驅(qū)動(dòng)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(shí)，在V-和Vs之間的連線也應(yīng)靠近IC，從而來(lái)減小這兩個(gè)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(lái)減小噪聲耦合。

圖10 去耦電容器的設(shè)計(jì)

　　圖11是IR2175的一個(gè)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(hào)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(shí)負(fù)偏壓保護(hù)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(duì)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(jìn)行描述。在高端懸浮但有沒(méi)開(kāi)關(guān)切換的情況下(即Vs腳的電壓是固定的)，占空比不會(huì)有波動(dòng)。

　　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(gè)電流傳感器IC來(lái)測(cè)量電機(jī)的相電流。在這個(gè)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(dòng)，因此每次轉(zhuǎn)換時(shí)都有dV/dt。在Vs腳轉(zhuǎn)換期間，dV/dt將使PO腳上的輸出信號(hào)的占空比產(chǎn)生微小的波動(dòng)。在這種情況下， IR2175輸出信號(hào)的占空比波動(dòng)2%(直流母線電壓為300V)。下面的表1列出了當(dāng)dV/dt為正或?yàn)樨?fù)時(shí)，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(dòng)情況。表中的結(jié)果是在IR AcceleratorTM伺服電機(jī)控制設(shè)計(jì)平臺(tái)上測(cè)得的。

　　在電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的例子中，這將被轉(zhuǎn)換成電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，對(duì)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(dòng)(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(jìn)行隔離，因此對(duì)于新的設(shè)計(jì)應(yīng)該使用IR2175。