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带电源负载的控制系统电路设计攻略

  在一些电源操控运用中,依据可靠性或安全性的原因,需求对阻性电源负载的作业状况进行接连的评价。医疗设备中运用的发热电阻便是这种运用的很好比如。为了有作用,评价时应选用接连监督电源…

  在一些电源操控运用中,依据可靠性或安全性的原因,需求对阻性电源负载的作业状况进行接连的评价。医疗设备中运用的发热电阻便是这种运用的很好比如。为了有作用,评价时应选用接连监督电源负载电阻的办法,并且不能搅扰体系的正常作业。监督体系应供给至少一个数字告警信号,该信号需求在阻值超越预设规模时被激活。

  带简略的电阻性负载电流监督功用的典型电源操控运用能够如图1所示那样建模,其间疏忽了任何感抗现象。在这种集总模型中,U是供电电压;I是电路中的电流;R是电源负载(纯阻性);Rp1、Rp2和Rp3代表一切寄生电阻,建模的是互连走线、衔接器和任何或许的机械或电子开关(闭合时)的电阻;Rs是电流检测电阻。设Rp是总的寄生电阻,界说为Rp = Rp1 + Rp2 + Rp3。假如U和Rp是常数,那么I在R改动时才会改动,因为Rs是常数。因而评价R的差错只需求监督电流即可。但是在大多数状况下,实践的U和Rp不是固定不变的。事实上,即便在常见的恒压PWM电源操控运用中,U也或许因为电源过高的内部阻抗(不良调整)和/或电压容差而违背希望值。寄生电阻Rp包含导线、衔接器和开关的电阻,它们一般会因温度、用处和老化的原因而产生改变。举例来说,假如开关是功率MOSFET完结的,那么因为它具有正温度系数,它的Rds(ON)会随温度的上升而添加。

  

  图1 带简略的阻性负载电流监督功用的典型电源操控运用。

  很明显,U和Rp的改变将影响依据电流的简略电阻监督办法的精度。为了战胜这个问题,能够在核算实践负载电阻(R)的基础上进行电阻监督,办法是丈量负载电流和负载电压,然后依据欧姆定律核算它们相除的成果。现在典型的办法是在数字域中做这种除法,它要求至少一个带两个复用输入通道的模数转换器(ADC)和一些处理单元(即微操控器)。这种办法很有吸引力,特别是当体系中已经有微操控器的时分。但是,因为可靠性或安全方面的原因,用软件完结核算使命的这种办法或许行不通,或许底子不可取。

  例如在医疗级设备中,规范IEC 60601-1($0.0418)(条款14)规则,假如由可编程体系来确保至关重要的安全性,那么开发周期有必要遵从规则的程序,这将使终究体系的开发和随后的认证进一步复杂化。别的一种办法是在模仿域中履行除法操作,办法是运用精细的模仿分压%&&&&&%(IC)。但是,这种%&&&&&%一般很贵重,并且不很常见。不过在模仿域中,咱们能够运用经典的惠斯通电桥——在低功耗电阻丈量中一种很闻名的电路。它将是咱们评论的起点。

  在展开评论之前,最好是将R界说为R = Rn(1+δ),其间Rn是R的归一化值,δ是R的相对差错,界说为δ = R/Rn – 1。别的,让咱们将阈值点δi 和δs界说为监督体系启动毛病条件信号点之外的δ值(别离对应更差和更好)。在图2a)中,惠斯通电桥和比较器用来产生逻辑信号,指示R是大于仍是小于某个阈值。很简略标明,这个电阻阈值独立于U,它是这种电桥拓扑的一个特性。在图2 b)中,经过在参阅支路和两个比较器中运用一个额定的电阻(R3),能够扩展拓扑,完结阻值窗口比较器。阈值点δi 和δs由R1、R2和R3之间的比值设定,因为它们确认了比较器(Ut1和Ut2)的阈值电压。

  

  图2 惠斯通电桥拓扑。

  尽管图2 b)所示电路的阈值点独立于U,但它们依然受电源分支(图1中所示)寄生电阻的影响。别的,比较器的共模和差分输入电压一般很小(R 》》 Rs)。事实上,希望的差分输入电压规模与比较器的输入偏移电压(IOV)一般是恰当的,因而会严重影响监督体系的精度。

  解决方案的通用模型

  为了战胜Rp依赖性,咱们能够将电流与负载电压进行比较,而不是将电流与供电电压U 进行比较。此外,咱们能够在比较器之间进行恰当的电压调整,以战胜比较器上很小的差分输入电压引起的参阅精度丢失问题。这种解决方案的通用模型见图3,它包含寄生电阻Rp1、Rp2和Rp3。在这个模型中,负载电压和负载电流(表明为Rs上的电压)在施加到比较器COMP1和COMP2输入端之前先被同相增益级电路所调整。这些增益级电路总是用运放(OPAMP)和增益确认电阻完结。

  需求留意的是,只有当这种运放的IOV规模比比较器的IOV更窄时,才有或许削减因为很小的差分输入电压引起的差错。不过这个条件不难满意,因为精细运放的IOV规模一般都要比精细比较器小,这也是为什么在一些低速高精度运用中将运放用作比较器的原因。

  

  图3:通用模型。

  对电流的差分丈量能够转换为更简略的单端丈量,办法是将Rs下面的端子衔接模仿地(电阻监督部分的地)。图3中的新变量被界说为:

  假定增益级电路是抱负的状况下,图4和图5别离画出了作为δ函数的比较器输入电压(Uu1, Ui1, Uu2, Ui2, Ud1 和Ud2)。在图4中,实线是U=15V时的成果,虚线是U=10V时的成果。Rp值坚持不变。从图中能够看出,阈值点(δi和δs)不受U改变的影响。

  

  图4 a)

  

  作图4 b)

  在图5中,实线是Rp=10mΩ时的成果,虚线是Rp=200mΩ时的成果。在这两种状况下,U坚持不变(U=15V)。从中能够看出,δi 和δs不受Rp改变的影响。

  

  图5 a)

  

  图5 b)

  尽管U和Rp的改变不影响δi 和δs,但它们影响比较器的单端和差分输入电压,见图4和图5。因而模型增益的确认应稳重,要确保满意比较器的共模输入电压规模(CMIVR)要求。在这个比如中,假定比较器能够完结挨近地电位的检测,也便是说它们的共模输入电压规模能够从0(或以下)扩展到某个正值。在图4 a)和图5 a)中能够看到,在低于和高于δi 与δs时,相关的输入电压(对δi来说是Uu1和Ui1,对δs来说是Uu2和Ui2)出现相反的趋势。因而,相关输入电压在δi和δs处一同具有最高值,别离是Ut1和Ut2。要想比较器在δi 和δs点供给正确的输出状况,Ut1和Ut2有必要在它们的共模输入电压规模之内(CMIVR)。假如是这样,相关输入电压或许在低于和高于δi 和δs时超出CMIVR,因为每个比较器至少有一个输入电压在CMIVR内是有确保的,并且大多数比较器在这种状况下仍能供给正确的输出状况。契合工业规范的LM393($0.0737)便是具有这种才能的一个典型比如。从图4 a)和图5 a)中能够看出,Ut1和Ut2不是固定的,它们会跟着U添加和/或Rp减小而增大。

  当U坐落其最大或许值、Rp坐落其最小或许值(在大多数状况下能够认为是0)时,将构成在比较器CMIVR方面最差的作业条件。在核算模型增益时应该将这些U和Rp值代入公式(2)、(3)、(4)和(5)。比较器的输入偏移电压(IOV)有或许导致δi 和δs阈值点违背希望值,并下降电阻监督的精度。为了尽或许减小这种漂移起伏,咱们应该尽或许添加别离对应δi 和δs的Ud1和Ud2斜率模(绝对值),如图4 b)和图5 b)所示。别的调查图4 a)和图5 a)能够看出,经过添加Ut1和Ut2也能够减小这种漂移。考虑到前面评论的共模输入电压规模(CMIVR)约束,咱们能够得出结论:应挑选挨近 CMIVR上限的Ut1和Ut2电压值,并留一些安全余量应对实践元件的容差和漂移。选好Ut1和Ut2后,就能够将它们与T、Rn、Rs、U (最大值) 和Rp (最小值)一同代入增益公式((2), (3), (4), (5))核算模型增益,完结模型的调整。

  相反,当Ud1和Ud2斜率模减小时,因为输入偏移电压(IOV)引起的阈值点漂移将变得更糟,见图4 b)和图5 b)。从这些图还能够看出,这些模值随U的减小和/或Rp的添加而减小。因而最差精度丢失产生在最低希望的U值和最高希望的Rp值时。总归,由IOV引起的精度丢失行为能够被总结为:针对某个特定的比较器IOV规模,为了满意特定的精度要求,有必要注重相应的最小U值和最大Rp值。也或许在一些特别状况下,U=0和/或Rp → (+∞)。契合这些状况的比如包含U供电电源的关断或毛病、保险丝熔断、PWM运用中功率开关的开路等。在产生这些事情时,一切比较器的输入电压将挨近于 0,输出信号(Fault)将没有一致的状况。此刻Fault应被疏忽,或被某些额定的检验电路封闭。

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