帶電源負載的控制系統電路設計攻略

　　在一些電源控制應用中，基于可靠性或安全性的原因，需要對阻性電源負載的工作狀態(tài)進(jìn)行連續的評估。醫療設備中使用的發(fā)熱電阻就是這種應用的很好例子。為了有效果，評估時(shí)應采用連續監視電源負載電阻的方式，并且不能干擾系統的正常工作。監視系統應提供至少一個(gè)數字告警信號，該信號需要在阻值超過(guò)預設范圍時(shí)被激活。

　　帶簡(jiǎn)單的電阻性負載電流監視功能的典型電源控制應用可以如圖1所示那樣建模，其中忽略了任何感抗現象。在這種集總模型中，U是供電電壓；I是電路中的電流；R是電源負載（純阻性）；Rp1、Rp2和Rp3代表所有寄生電阻，建模的是互連走線(xiàn)、連接器和任何可能的機械或電子開(kāi)關(guān)（閉合時(shí)）的電阻；Rs是電流檢測電阻。設Rp是總的寄生電阻，定義為Rp = Rp1 + Rp2 + Rp3。如果U和Rp是常數，那么I在R改變時(shí)才會(huì )改變，因為Rs是常數。因此評估R的偏差只需要監視電流即可。然而在大多數情況下，實(shí)際的U和Rp不是固定不變的。事實(shí)上，即使在常見(jiàn)的恒壓PWM電源控制應用中，U也可能因為電源過(guò)高的內部阻抗（不良調整）和/或電壓容差而偏離期望值。寄生電阻Rp包含導線(xiàn)、連接器和開(kāi)關(guān)的電阻，它們通常會(huì )因溫度、用途和老化的原因而發(fā)生變化。舉例來(lái)說(shuō)，如果開(kāi)關(guān)是功率MOSFET實(shí)現的，那么由于它具有正溫度系數，它的Rds（ON）會(huì )隨溫度的上升而增加。

　　圖1 帶簡(jiǎn)單的阻性負載電流監視功能的典型電源控制應用。

　　很明顯，U和Rp的變化將影響基于電流的簡(jiǎn)單電阻監視方法的精度。為了克服這個(gè)問(wèn)題，可以在計算實(shí)際負載電阻（R）的基礎上進(jìn)行電阻監視，方法是測量負載電流和負載電壓，然后根據歐姆定律計算它們相除的結果?，F在典型的方法是在數字域中做這種除法，它要求至少一個(gè)帶兩個(gè)復用輸入通道的模數轉換器（ADC）和一些處理單元（即微控制器）。這種方法很有吸引力，特別是當系統中已經(jīng)有微控制器的時(shí)候。然而，由于可靠性或安全方面的原因，用軟件完成計算任務(wù)的這種方法可能行不通，或者根本不可取。

　　例如在醫療級設備中，標準IEC 60601-1(＄0.0418)（條款14）規定，如果由可編程系統來(lái)確保至關(guān)重要的安全性，那么開(kāi)發(fā)周期必須遵循規定的程序，這將使最終系統的開(kāi)發(fā)和隨后的認證進(jìn)一步復雜化。另外一種方法是在模擬域中執行除法操作，方法是使用精密的模擬分壓集成電路（IC）。然而，這種IC一般很昂貴，而且不很常見(jiàn)。不過(guò)在模擬域中，我們可以利用經(jīng)典的惠斯通電橋——在低功耗電阻測量中一種很著(zhù)名的電路。它將是我們討論的起點(diǎn)。

　　在展開(kāi)討論之前，最好是將R定義為R = Rn（1+δ），其中Rn是R的歸一化值，δ是R的相對誤差，定義為δ = R/Rn – 1。另外，讓我們將閾值點(diǎn)δi 和δs定義為監視系統啟動(dòng)故障條件信號點(diǎn)之外的δ值（分別對應更差和更好）。在圖2a）中，惠斯通電橋和比較器用來(lái)產(chǎn)生邏輯信號，指示R是大于還是小于某個(gè)閾值。很容易表明，這個(gè)電阻閾值獨立于U，它是這種電橋拓撲的一個(gè)特性。在圖2 b）中，通過(guò)在參考支路和兩個(gè)比較器中使用一個(gè)額外的電阻（R3），可以擴展拓撲，實(shí)現阻值窗口比較器。閾值點(diǎn)δi 和δs由R1、R2和R3之間的比值設定，因為它們確定了比較器（Ut1和Ut2）的閾值電壓。

　　圖2 惠斯通電橋拓撲。

　　雖然圖2 b）所示電路的閾值點(diǎn)獨立于U，但它們仍然受電源分支（圖1中所示）寄生電阻的影響。另外，比較器的共模和差分輸入電壓通常很?。≧ 》》 Rs）。事實(shí)上，期望的差分輸入電壓范圍與比較器的輸入偏移電壓（IOV）通常是相當的，因此會(huì )嚴重影響監視系統的精度。

　　解決方案的通用模型

　　為了克服Rp依賴(lài)性，我們可以將電流與負載電壓進(jìn)行比較，而不是將電流與供電電壓U 進(jìn)行比較。此外，我們可以在比較器之間進(jìn)行適當的電壓調整，以克服比較器上很小的差分輸入電壓引起的參考精度損失問(wèn)題。這種解決方案的通用模型見(jiàn)圖3，它包括寄生電阻Rp1、Rp2和Rp3。在這個(gè)模型中，負載電壓和負載電流（表示為Rs上的電壓）在施加到比較器COMP1和COMP2輸入端之前先被同相增益級電路所調整。這些增益級電路總是用運放（OPAMP）和增益確定電阻實(shí)現。

　　需要注意的是，只有當這種運放的IOV范圍比比較器的IOV更窄時(shí)，才有可能減少由于很小的差分輸入電壓引起的誤差。不過(guò)這個(gè)條件不難滿(mǎn)足，因為精密運放的IOV范圍通常都要比精密比較器小，這也是為什么在一些低速高精度應用中將運放用作比較器的原因。

　　圖3：通用模型。

　　對電流的差分測量可以轉換為更簡(jiǎn)單的單端測量，方法是將Rs下面的端子連接模擬地（電阻監視部分的地）。圖3中的新變量被定義為：

　　假設增益級電路是理想的情況下，圖4和圖5分別畫(huà)出了作為δ函數的比較器輸入電壓（Uu1， Ui1， Uu2， Ui2， Ud1 和Ud2）。在圖4中，實(shí)線(xiàn)是U=15V時(shí)的結果，虛線(xiàn)是U=10V時(shí)的結果。Rp值保持不變。從圖中可以看出，閾值點(diǎn)（δi和δs）不受U變化的影響。

　　圖4 a）

　　作圖4 b）

　　在圖5中，實(shí)線(xiàn)是Rp=10mΩ時(shí)的結果，虛線(xiàn)是Rp＝200mΩ時(shí)的結果。在這兩種情況下，U保持不變（U=15V）。從中可以看出，δi 和δs不受Rp變化的影響。

　　圖5 a）

　　圖5 b）

　　雖然U和Rp的變化不影響δi 和δs，但它們影響比較器的單端和差分輸入電壓，見(jiàn)圖4和圖5。因此模型增益的確定應慎重，要確保滿(mǎn)足比較器的共模輸入電壓范圍（CMIVR）要求。在這個(gè)例子中，假設比較器能夠實(shí)現接近地電位的檢測，也就是說(shuō)它們的共模輸入電壓范圍可以從0（或以下）擴展到某個(gè)正值。在圖4 a）和圖5 a）中可以看到，在低于和高于δi 與δs時(shí)，相關(guān)的輸入電壓（對δi來(lái)說(shuō)是Uu1和Ui1，對δs來(lái)說(shuō)是Uu2和Ui2）呈現相反的趨勢。因此，相關(guān)輸入電壓在δi和δs處同時(shí)具有最高值，分別是Ut1和Ut2。要想比較器在δi 和δs點(diǎn)提供正確的輸出狀態(tài)，Ut1和Ut2必須在它們的共模輸入電壓范圍之內（CMIVR）。如果是這樣，相關(guān)輸入電壓可能在低于和高于δi 和δs時(shí)超出CMIVR，因為每個(gè)比較器至少有一個(gè)輸入電壓在CMIVR內是有保證的，而且大多數比較器在這種情況下仍能提供正確的輸出狀態(tài)。符合工業(yè)標準的LM393(＄0.0737)就是具有這種能力的一個(gè)典型例子。從圖4 a）和圖5 a）中可以看出，Ut1和Ut2不是固定的，它們會(huì )隨著(zhù)U增加和/或Rp減小而增大。

　　當U位于其最大可能值、Rp位于其最小可能值（在大多數情況下可以認為是0）時(shí)，將形成在比較器CMIVR方面最差的工作條件。在計算模型增益時(shí)應該將這些U和Rp值代入公式（2）、（3）、（4）和（5）。比較器的輸入偏移電壓（IOV）有可能導致δi 和δs閾值點(diǎn)偏離期望值，并降低電阻監視的精度。為了盡可能減小這種漂移幅度，我們應該盡可能增加分別對應δi 和δs的Ud1和Ud2斜率模（絕對值），如圖4 b）和圖5 b）所示。另外觀(guān)察圖4 a）和圖5 a）可以看出，通過(guò)增加Ut1和Ut2也可以減小這種漂移?？紤]到前面討論的共模輸入電壓范圍（CMIVR）限制，我們可以得出結論：應選擇接近 CMIVR上限的Ut1和Ut2電壓值，并留一些安全余量應對實(shí)際元件的容差和漂移。選好Ut1和Ut2后，就可以將它們與T、Rn、Rs、U （最大值） 和Rp （最小值）一起代入增益公式（（2）， （3）， （4）， （5））計算模型增益，完成模型的調整。

　　相反，當Ud1和Ud2斜率模減小時(shí)，由于輸入偏移電壓（IOV）引起的閾值點(diǎn)漂移將變得更糟，見(jiàn)圖4 b）和圖5 b）。從這些圖還可以看出，這些模值隨U的減小和/或Rp的增加而減小。因此最差精度損失發(fā)生在最低期望的U值和最高期望的Rp值時(shí)?？傊?，由IOV引起的精度損失行為可以被總結為：針對某個(gè)特定的比較器IOV范圍，為了滿(mǎn)足特定的精度要求，必須重視相應的最小U值和最大Rp值。也可能在一些特殊情況下，U=0和/或Rp → （+∞）。符合這些情況的例子包括U供電電源的關(guān)斷或故障、保險絲熔斷、PWM應用中功率開(kāi)關(guān)的開(kāi)路等。在發(fā)生這些事件時(shí)，所有比較器的輸入電壓將接近于 0，輸出信號（Fault）將沒(méi)有統一的狀態(tài)。此時(shí)Fault應被忽略，或被某些額外的檢驗電路關(guān)閉。