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H橋功率晶體管拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)正日益成為從單電源電壓來對電動機(jī)和其他負(fù)載進(jìn)行雙向驅(qū)動的一種常用方法。在大部分場合中，監(jiān)視輸送至負(fù)載的電流和實(shí)時(shí)地利用該信息以提供操作反饋至一個(gè)控制系統(tǒng)具有非常大的好處。在大多數(shù)新型設(shè)計(jì)中，人們往往采用脈寬調(diào)制(PWM)方法來提供高效的可變功率輸送，但是，這樣做會使負(fù)載的兩端承受極快的電壓瞬變，因而導(dǎo)致儀表問題的復(fù)雜化。凌力爾特(Linear)公司推出的新型高壓側(cè)電流檢測放大器能簡化該問題。
測量H橋的負(fù)載電流
負(fù)載監(jiān)視的傳統(tǒng)方法是布設(shè)一個(gè)與負(fù)載相串聯(lián)的小值檢測電阻，該電阻能夠產(chǎn)生一個(gè)用于代表負(fù)載電流的可測量電壓降(圖1)。這里的難點(diǎn)是：當(dāng)執(zhí)行PWM操作時(shí)，檢測電阻器上的共模電壓具有讓人討厭的電壓瞬變，這些電壓瞬變的高頻雜亂信號會損害檢測放大器的操作性能。雖然可對該雜亂信號進(jìn)行濾波處理以恢復(fù)有用的低頻信息，但是提供快速故障保護(hù)的能力將隨之喪失。此外，這種“跨接”檢測電阻器配置還無法監(jiān)視開關(guān)貫通電流，從而造成許多重要的故障模式未被檢測出來或處于失控狀態(tài) (例如：開關(guān)功能失效)。
圖1：傳統(tǒng)的負(fù)載檢測在采用PWM時(shí)會產(chǎn)生問題。
監(jiān)視饋送至每個(gè)半橋的電源電流是一種實(shí)用性強(qiáng)得多的方法(圖2)。該方案提供了簡化和改善電路性能的多項(xiàng)好處。主要的改進(jìn)是通過使檢測電阻器處于一個(gè)相對恒定的共模電壓(即：電源電壓)來實(shí)現(xiàn)，這樣就可以保持PWM電流波形的保真度。另外，通過在電源側(cè)對每個(gè)半橋進(jìn)行單獨(dú)監(jiān)視，便能夠很容易地檢測并可控制功率器件操作失效和負(fù)載接地短路。
圖2：與 PWM相兼容的H橋負(fù)載檢測。
通過采用可產(chǎn)生“極性-大小”控制功能的PWM邏輯電路，其中一個(gè)半橋?qū)⑻幱?00%拉高狀態(tài)(取決于驅(qū)動的方向或極性)。負(fù)載電流與通過100%(完全接通)開關(guān)輸送的電流相等，而不受另一個(gè)半橋上的PWM 工作占空比所影響。這允許采用合適的高壓側(cè)檢測放大 法來實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流波形的簡單重建。
簡單的解決方案
LTC6103和LTC6104雙通道高壓側(cè)檢測放大器非常適合于執(zhí)行H橋監(jiān)視功能。這兩款器件均具有兩個(gè)電流檢測輸入通道，并提供了兩個(gè)單向輸出(LTC6103)或單個(gè)雙向輸出(LTC6104)。由于每個(gè)電流檢測通道均以單向的方式運(yùn)作，因此只對來自完全接通的半橋電流進(jìn)行監(jiān)視。
由于另一個(gè)半橋中的電流脈沖方向相反，因此放大器通道保持在一個(gè)截止?fàn)顟B(tài)，而且并不影響讀出操作。這意味著輸出信號僅反映完全接通的半橋電流，該電流與受控負(fù)載電流相等。
憑借其快速(微秒級)響應(yīng)時(shí)間，這些器件還提供了過載檢測功能，從而能夠在出現(xiàn)故障條件的情況下向功率器件保護(hù)電路發(fā)出指示信號。這兩款器件均采用纖巧型MSOP-8封裝(旨在實(shí)現(xiàn)緊湊的電路板布局)，并能夠在高達(dá)60V的電源電壓條件下正常運(yùn)作。由于它們具有70V的瞬變電壓承受能力，因而在苛刻的汽車應(yīng)用中免除了增設(shè)浪涌抑制元件的需要。
LTC6103的雙路輸出可單獨(dú)地用來提供過載檢測，和/或被用作一個(gè)差分對以向模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)提供一個(gè)雙向信號(示例)。圖3給出了一款面向普通H橋應(yīng)用的典型電路。功率器件可以是互補(bǔ)型MOSFET、純 N溝道MOSFET或其他的開關(guān)器件。當(dāng)橋接器驅(qū)動負(fù)載時(shí)(在所舉的例子中假設(shè)是一部電動機(jī))，LTC6103的其中一個(gè)輸出將升至地電位以上，而另一個(gè)輸出則保持被下拉至地的狀態(tài)，從而形成了一個(gè)準(zhǔn)確的雙向差分輸出和一個(gè)從不降至地電位以下的共模電壓。輸出電阻的選擇(本例中為4.99k)是可以調(diào)節(jié)的，以滿足任何ADC的源阻抗要求。
圖 3：LTC6103利用適合ADC的差分輸出來提供雙向H橋監(jiān)視。
作為一種替代方案，LTC6104的輸出結(jié)構(gòu)提供了單個(gè)雙向信號。輸出線路既可以向一個(gè)負(fù)載電阻供應(yīng)電流，也可以從一個(gè)負(fù)載電阻吸收電流(取決于哪個(gè)輸入通道正在檢測電流)。只要引腳4(V–)的電壓比預(yù)期的最低輸出電平至少低0.5V，則負(fù)向輸出擺幅就將保持線性。如果負(fù)載電阻在引腳4接地的情況下回接至一個(gè)合適的基準(zhǔn)電壓(圖4)，就能滿足這個(gè)條件。如果引腳4被連接至一個(gè)合適的負(fù)電源(比如：-3V)，則輸出電阻也可以直接回接至地，以形成一個(gè)真正的雙極輸出。
圖 4：LTC6104利用單端輸出提供雙向H橋監(jiān)視。
本文小結(jié)
如果您擁有了正確的放大器，那么設(shè)計(jì)一款H橋功率驅(qū)動器的負(fù)載電流監(jiān)視器就不是件難事。LTC6103 和LTC6104恰好滿足了這一需要。它們具有雙路檢測輸入和兩種不同的輸出配置選項(xiàng)，這些特點(diǎn)降低了復(fù)雜性并縮減了PCB面積。
作者：Jon Munson
高級應(yīng)用工程師
凌力爾特公司
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