檢流放大器的瞬態(tài)過壓保護(hù)

這篇應(yīng)用筆記介紹了保護(hù)低壓電流檢測放大器免受瞬態(tài)高壓沖擊的方法。這種情況在汽車電池供電應(yīng)用中很常見，主要指拋負(fù)載情況。


有些電流檢測放大器經(jīng)常受到高壓沖擊，例如，在汽車中監(jiān)測電池放電電流的檢流放大器，必須能夠承受高壓拋負(fù)載脈沖，這個(gè)高壓脈沖是當(dāng)負(fù)載與電池?cái)嚅_時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)尖峰電壓，最終在電機(jī)輸出端出現(xiàn)一個(gè)高壓脈沖。如果這個(gè)脈沖超過了放大器的共模電壓，則必須提供附加的外部電路保護(hù)放大器。

圖1給出了一個(gè)過壓保護(hù)例子，由齊納二極管Z1和Z2、電阻R1和R2以及二極管D1組成。MAX4372放大器的共模電壓范圍為0至28V，足以測量6V至18V范圍的汽車電池電壓。但是，拋負(fù)載電壓可能達(dá)到35V，而且會(huì)持續(xù)0.5秒，恰好超過了放大器的30V最大額定輸入電壓，必須通過外部電路保護(hù)放大器。


圖1. 該檢流放大器帶有保護(hù)電路(上部電路元件)，適合于共模電壓高于30V的應(yīng)用。

采用不同的輸入保護(hù)電阻R1和R2 (分別為2kΩ和1kΩ)，可以避免輸入失調(diào)電壓引起的額外誤差，能夠平衡放大器偏置電流不均衡造成的影響。關(guān)于這些電阻的選擇，請(qǐng)參考應(yīng)用筆記3888：“帶有輸入串聯(lián)電阻的電流檢測放大器的性能”。

齊納二極管Z1和Z2的標(biāo)稱擊穿電壓為24V，這兩個(gè)管子的耗散功率足以在35V峰值拋負(fù)載條件(35V拋負(fù)載電壓減去1kΩ串聯(lián)電阻R2的24V鉗位電壓)下承受大約11mA吸電流。

圖2是當(dāng)移走D1時(shí)，35V拋負(fù)載脈沖下放大器的輸出。施加電壓為電池標(biāo)稱電壓，所要求的輸出電壓為1V (輸入VSENSE = 50mV、增益 = 20)。出現(xiàn)拋負(fù)載電壓時(shí)，齊納管把輸入共模電壓鉗位在大約24V，放大器輸出經(jīng)過幾個(gè)短暫的波動(dòng)后穩(wěn)定到0V。


圖2. 移走二極管D1后，圖1電路的工作波形。

雖然標(biāo)稱電壓為24V，兩個(gè)齊納管因?yàn)閭€(gè)體差異和不同的工作電流(Z1工作電流是5.5mA，Z2為11mA)，其擊穿電壓存在一定的差異。因此，(VZ1 - VZ2)作為差模檢測電壓會(huì)產(chǎn)生一個(gè)所不希望的輸出瞬變。如果想消除這一瞬態(tài)電壓，可以在Z1或Z2上串聯(lián)一個(gè)二極管。二極管會(huì)在拋負(fù)載時(shí)使(VZ1 - VZ2)置于正值或負(fù)值，在放大器輸出端轉(zhuǎn)換成電源擺幅的輸出(VCC或GND)，避免輸入瞬變時(shí)產(chǎn)生隨機(jī)的輸出波動(dòng)。

圖3a所示為二極管與Z1串聯(lián)時(shí)電路的工作情況，放大器輸出被置于正電源電壓。圖3b所示為二極管與Z2串聯(lián)時(shí)的情況，電路迫使放大器輸出置于負(fù)電源電壓。

圖3. 圖1電路中，D1分別與Z1 (a)、Z2 (b)串聯(lián)時(shí)，電路的工作波形。