測量高頻PWM實(shí)時(shí)功率的乘法器電路

除了瞬時(shí)功率外，平均和RMS功率值也是非常重要的。所有全模擬電路可以實(shí)現這些指標的測量。

對于電機或伺服器這些需要精確監視或調節負載耗散功率的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)計算負載電壓和電流的乘積來(lái)測量實(shí)際功率。但如果電壓電流為高頻波時(shí)，測量相應的功率并非易事，這就是脈寬調制(PWM)電機所面臨的問(wèn)題。PWM電機驅動(dòng)使用的控制信號頻率通常為數面千赫。一般來(lái)說(shuō)，平均和RMS功率輸出比用功率測量電路得到的高頻瞬時(shí)功率更有用。LT1256增益控制放大器和LTC1968高帶寬RMS-DC轉換器可從快速變化的電壓和電流中獲得瞬時(shí)及真正的RMS功率。圖1至圖5列舉了用功率電路測量H橋PWM電機驅動(dòng)器的耗散負載功率。圖1為H橋，即四個(gè)開(kāi)關(guān)組成的形狀像字母H的網(wǎng)絡(luò )。

圖1: 典型H橋方框圖

其中包括調節負載電壓的兩套開(kāi)關(guān)、一個(gè)無(wú)刷直流電機。方波信號的占空比代表負載上的平均電壓，即無(wú)刷直流電機的平均電壓。因此，改變占空比即可改變電機軸的速度和方向。電機的電流大小隨電機軸的機械阻力(電機負載)變化。

LT1995和LT1991精密增益放大器用不同方式測量電機的電壓和電流(分別為圖1和圖3所示)。

圖2: LT1995和一對LT1632，直流電機的動(dòng)態(tài)電壓范圍達±50V。

圖3: LT1991測量小感應電阻的電壓，共模輸入擺動(dòng)范圍達±60V。

盡管共模信號(H橋的電源電壓)很大，由于這些放大器具有高共模抑制特性，因此仍可精確測量電壓和電流。LT1632逆變器將電壓信號衰減至LT1995的輸入共模范圍內。共同使用LT1632s和LT1995產(chǎn)生的輸出電壓ΔV是負載電壓的0.1倍。

當增益為1時(shí)，LT1991共模范圍大(±60V)，因此LT1013放大器為L(cháng)T1991輸出提供增益。聯(lián)合使用LT1991和LT1013則可產(chǎn)生十倍于感應電阻電壓的輸出電壓VI。電壓電流部分的增益(分別為0.1倍和10倍)可任意選擇以獲得簡(jiǎn)單的數學(xué)關(guān)系，也可根據需要更改。

LT1991的低通RC網(wǎng)絡(luò )衰減100kHz(諧波)饋通，進(jìn)一步提高電路的高頻共模抑制。由于電機線(xiàn)圈電感高，限制了電機電流的帶寬(帶寬限制量與電機型號相關(guān)，但不會(huì )接近100KHz)，因此濾波時(shí)不會(huì )損失有用信息。感應電阻小，相應的電流感應電壓隨之減小，從而可限制電路的動(dòng)態(tài)范圍，因此如果必要的話(huà)可提高LT1013的增益。當增益較高(大于100)時(shí)，需要用更大帶寬的變壓器替代LT1013。

圖4所示為L(cháng)T1256如何結合分離的電壓電流信號產(chǎn)生電路的瞬時(shí)功率。

圖4: 直流偏置放大器相應音頻信號的交流和直流分量

LT1256可采用乘法配置，一個(gè)放大器的增益為1.25，另一個(gè)的增益－1.25。VC引腳由LT1013的輸出控制，可在該范圍內線(xiàn)性選擇電壓增益。LT1790參考電壓和LT1013的另一半控制VC引腳的輸入范圍為±1.25V。LT1256的增益等于VC引腳電壓(例如，如果VC引腳的電壓為－0.5 V，增益即為－0.5)。換言之，LT1256電路的表達式(參考圖1)為:

LT1256OUTPUT = V×I 當－1.25V ≤I≤1.25V時(shí)

瞬時(shí)功率波形衰減十倍，并輸入到LTC1968，這樣直流輸出與RMS功率成正比(圖5)。

圖5: LTC1968 RMS-DC轉換器的性能高達500kHz，可將圖4的瞬時(shí)功率波形轉變?yōu)橹绷鬏敵觥?/em>

因為L(cháng)TC1968需要電壓低于1V以確保精確度，因此需要衰減LTC1968電壓。電路的總增益為：

PINSTΔV×VI

PRMS (DC) = 0.1×ΔV×VI

RMS輸出電壓相對電機功率為：

PRMS (DC) = (AV×RSENSE×AV,1013×100) mV/WRMS

這里，

AV,1632 = LT1632的衰減(V/V),

AV,1013 = LT1013增益 (V/V)

RSENSE = 感應電阻值(Ω)

電路帶寬和電壓額定值

電壓測量部分的帶寬(LT1632和LT1995)為8.7MHz，100kHz方波輸入的保真性好。LT1632的輸出擺動(dòng)限制共模電壓(H橋電源電壓)低于45V。增大LT1632的衰減還可擴大此范圍(用100kΩ電阻替代10kΩ可使衰減提高十倍，這樣共模輸入范圍可達450V)。

電流測量部分(LT1991和LT1013)帶寬為10kHz，其范圍是由RC低通濾波器(LPF)網(wǎng)絡(luò )限制。因為直流電機線(xiàn)圈電感大，大共模電壓可能會(huì )導致100kHz紋波電流，像LT1991，因此選擇這一范圍以抑制紋波電流。即使是電阻匹配良好的LT1991在100kHz時(shí)CMRR也僅為40dB。因此，LPF帶寬的選擇是在通過(guò)實(shí)際電流紋波與衰減來(lái)自L(fǎng)T1991共模雜散信號兩者間權衡。LT1991的輸入電壓范圍將共模電壓限制為60V，但可以通過(guò)兩個(gè)輸入端的精確匹配分阻網(wǎng)絡(luò )擴展這一范圍。LT1256的VC引腳將LT1013的有用輸出范圍限制為{{1.25V，這樣電機上的電流不超過(guò)(0.125×RSENSE)。對大電流情況，需要使用小感應電阻。圖6a為功率測量電路的電壓、電流和瞬時(shí)網(wǎng)絡(luò )波形。

圖6a: PWM驅動(dòng)占空比為60%的功率測量電路波形、0.1感應電阻和小電機電阻。軌跡1為電壓，軌跡2為電流，軌跡3為瞬時(shí)功率。

軌跡1(頂端)為通過(guò)0.1V/V增益后，電機上的差分電壓。軌跡2 (中間)為通過(guò)增益1V/A的電機電流。軌跡3(底部)為電機的實(shí)際瞬態(tài)功耗，增益為0.1V/W。這些功率測量電路波形是相對占空比為60%的PWM驅動(dòng)、0.1Ω感應電阻和小電機電阻的情況。RMS功耗為5.9mV (590mW)，是通過(guò)高阻抗電壓計測得的。圖6b所示為相同的三種小型，但電機軸的負載(阻抗)增大了。

圖6b: 大電機電阻，占空比60%、感應電阻0.1Ω。軌線(xiàn)1是電壓。軌線(xiàn)2為電流，軌線(xiàn)3為瞬時(shí)功率。

該圖對應的是大電阻電機的情況，占空比仍為60%，感應電阻為0.1Ω。同樣，軌線(xiàn)1為電壓，軌線(xiàn)2為電流，軌線(xiàn)3為瞬態(tài)功率。值得注意的是，當負載增大，平均電機電流也相應增大(從絕對意義而言)。用高阻抗電壓計測得的RMS功耗為20mV (2瓦)。

毫無(wú)疑問(wèn)，由于電機電流增大，電機平均功耗也隨之提高。

電路精確性

功率測量電路的增益精確性取決于LT1256和圖4中電阻的精度。LT1256在商用溫度范圍內(0℃至70℃)最大增益誤差為3%。使用0.1%金屬薄膜電阻或匹配電阻網(wǎng)絡(luò )用于電路的增益設置和電壓衰減，可使增益誤差優(yōu)于4.5%。

本文介紹的功率測量電路可以測量高頻PWM驅動(dòng)電機或其它任何高頻功率測量產(chǎn)品中的功耗。對低頻產(chǎn)品，可用LTC1966或LTC1967替代LTC1968。