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工程師設計分析:影響電流檢測精確度的幾種規范

鉅大LARGE  |  點擊量:953次  |  2019年11月20日  

在電流檢測領域,牢固掌握電流檢測的基礎知識,了解電流檢測所使用的一些器件,知道如何計算某種解決方案的精確度以及印制電路板(pCB)布局和問題檢修的一些指導原則都非常有用。本文將為您詳細介紹影響某種解決方案精確度的一些規范,這些規范包括輸入補償電壓(Vos)、共模抑制比(CMRR)和電源抑制比(pSRR)。


精確度


分流器測量的系統精確度會受到許多誤差源的影響,其中一些如表1所示。方程式1表明了極端系統精確度情況。


eq1


其中,Sworst-case(%)為每個誤差源的誤差貢獻度。但是,一種更為實際的系統精確度計算方法是,將無關聯誤差寫成一個和的平方根(RSS),如方程式2所示。


eq2


表一:系統級誤差源。


由于表1所列大部分誤差均為輸入參考(RTI),因此我們最好是就輸入方面來對精確度進行討論。參考器件輸入的誤差乘以器件增益,得到其對輸出的影響程度。


輸入補償電壓


輸入補償電壓一般為影響某種解決方案精確度的最大因素。它的定義是“一個必須施加于輸入端之間以強制靜態DC輸出電壓為零或者其他規定電平的DC電壓”。放大器的理想Vos為0V。但是,工藝差異和器件設計限制等原因,會導致Vos不為零。


所有輸入參考誤差均根據理想分流器電壓計算得到。理想分流器電壓應為負載電流和理想電阻器值的乘積。系統中,標稱負載電流為5A,理想關聯電阻器值為1mΩ,則器件Vos規范的誤差貢獻程度計算方法如方程式3所示。假設我們決定使用INA170,其最大Vos規范為1mV。


eq3


要想減小這種誤差,我們有兩種方法:增加Rshunt電阻,或者降低Vos(max)。增加Rshunt電阻方法是否可行,取決于成本、電路板空間或者功耗情況。另外,我們也可以嘗試找到一種具有更低Vos的替代器件。


最后,需要注意的是,負載電流與誤差成反比關系。在我們的例子中,標稱負載電流為5A時,計算得20%。如果系統負載電流減少,則Vos規范產生的有效誤差增加。因此,設計人員應在最小負載電流下計算極端誤差。


共模抑制比


在介紹CMRR以前,我們需要重新復習一下輸入共模電壓知識。放大器的輸入共模電壓為兩個輸入端的共用平均電壓。盡管這樣說確實沒有錯,但最好還是將分流器電壓同共模電壓區分開來。通過定義Vid(差動輸入電壓),可以達到這個目標。在電流檢測應用中,它還可以被看作是分流器電壓。圖1顯示了輸入共模電壓的另一種定義,其使用了差動輸入電壓。圖1還再次提出了差模增益(Adm)的概念。差動放大器的理想輸出為差動輸入電壓和差模增益的乘積。


圖1:共模電壓另一種定義。(差模增益,差動放大器,)


CMRR可影響電流檢測解決方案的精確度。它是器件共模信號抑制能力的度量標準。這很重要,因為共模信號會以差動信號的形式出現在器件中,從而降低解決方案的精確度。


CMRR通常在產品說明書中以線性刻度(μV/V)或者對數刻度(dB)單位表明。如果單位是dB,則極端值為最小值。如果單位為μV/V,則極端值為最大值。


要想計算器件CMRR規范產生的誤差,我們需要:產品說明書列出的極端CMRR規范、產品說明書規范表的共模電壓測試條件(Vcm-pds)以及系統的共模電壓(Vcm-sys)。


例如,假設系統共模電壓為50V(Vcm-sys),并且分流器電壓標稱為5mV。我們使用INA170計算誤差,其極端CMRR規范為100dB(min),Vcm-pds=12V。


由于規范單位為dB,我們需要將其轉換為線性刻度,如方程式4所示。


eq4


現在,我們來計算誤差,如方程式5所示。


eq5


想要降低CMRR帶來的誤差貢獻值,我們有兩種方法:增加分流器電壓,或者選擇一個擁有更好CMRR性能的器件。改變Vcm-sys通常并非為一種可行的方法,因為具體應用決定了它的大小。


這樣處理CMRR的目的是,讓讀者能夠迅速和有效地理解其如何影響測量的精確度[1,3,4]。


電源抑制比


pSRR是電源電壓變化引起Vos變化程度的一種測量方法。pSRR所產生誤差的計算方法與CMRR類似。


要想計算器件pSRR規范所產生的誤差,我們需要:產品說明書的極端pSRR規范、產品說明書規范表的電源電壓測試條件(Vs-pds)以及在系統中為器件供電的電源電壓(Vs-sys)。


例如,INA170的極端pSRR規范為10μV/V(最大),且Vs-pds=5V。如果器件實際電源電壓為30V(Vs-sys),則pSRR所產生的誤差可以利用方程式6計算得到。就前面的幾個例子而言,我們假設分流器電壓為5mV。


eq6


要想降低pSRR帶來的誤差貢獻值,我們有兩種方法可以使用:增加分流器電壓,或者選擇一個pSRR性能更高的器件。改變Vcm-sys通常并非為一種可行的方法,因為具體應用決定了它的大小。


本例中,pSRR單位已經指定為μV/V。如果該值單位指定為dB,則在使用方程式6以前必須將其轉換為線性刻度。


其他誤差


一些規范,例如:增益誤差和分流電阻器容差等,通常會以百分比的形式出現。這使得精確度計算更加簡單。


表1還列出了Vos漂移和變化。輸入補償電壓漂移可測量溫度變化帶來的Vos變化。這種規范一般為:


但是,輸入補償電壓變化則并不那么簡單。輸入補償電壓變化測量的是時間變化帶來的Vos變化情況。我們通常可以在產品說明書中看到這種規范,并且其僅為估計值。準確估計這種變化的一種方法是,知道10年內器件Vos的變化,不會大于器件的最大Vos規范。這種變化是器件初始Vos規范之外的變化。


綜合計算


如前所述,綜合誤差的各個方面,便可知道系統的總體精度。只需將每一項相加,便得到極端誤差,而以RSS方式將它們結合起來就得到一個更加準確的結果。


就本文所列舉的Vos、CMRR和pSRR例子而言,極端精確度為67.4%,如方程式7所示。


eq7


使用RSS方式綜合各個誤差,得到更準確的精確度為78.03%,如方程式8所示。


eq8


總結


本文介紹了電流檢測精確度概念,它與Vos、CMRR和pSRR等規范有關。文中所舉例子,說明了在某個具體應用中如何計算這些規范所產生的誤差。另外,我們還簡單介紹了如增益誤差、分流器容差和Vos漂移與變化等其他誤差。


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