光耦隔離運放HCPL-7800在電機電流采樣中的應(yīng)用
發(fā)布時間：2019-08-02 15:37:46來源：
1. 概述
HCPL-7800隔離運放是專門為電機驅(qū)動電流的檢測設(shè)計的。電機電流通過一個外部采樣電阻得到模擬電壓，進入芯片。在隔離側(cè)的另一邊得到一個微分的輸出電壓。這個微分的輸出電壓正比與電機電流，通過一個光耦放大器轉(zhuǎn)換成單端信號。由于在現(xiàn)代開關(guān)逆變器電機驅(qū)動中電壓的共模干擾一般都有幾百伏每微秒，而HCPL-7800能夠抗至少10kv/us的共模干擾。正是基于這一點,HCPL-7800隔離運放為在很嘈雜的環(huán)境中，電機電流的檢測提供了更高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，也為各種各樣的電機控制提供了平滑控制的可能。它也能被用于在嚴(yán)重的噪聲干擾的環(huán)境中需要很高的準(zhǔn)確性，穩(wěn)定性和線性的的模擬信號的隔離。HCPL-7800的增益為+/-3%，HCPL-7800（A）適用于比較精確的場合，因為它的增益為+/-1%，它應(yīng)用了先進的（Σ-Δ）的模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)，斬波放大器和全微分電路拓?fù)洹Ｋ木唧w的原理圖如圖1所示：
HCPL-7800（A）隔離運放廣泛應(yīng)用于電機的相電流檢測，逆變器的電流檢測，開關(guān)電源的脈沖信號的隔離，一般的電流檢測和監(jiān)測，一般的模擬信號的隔離等方面。跟LEM比較，它更加適用于電機電流的檢測，抗共模抑制比的能力較強，同時具有很高的性價比。
2. 典型應(yīng)用
圖2是HCPL-7800對電機電流采樣的應(yīng)用電路，從圖中可以看出HCPL-7800（A）的電源一般都從功率開關(guān)器件的門極驅(qū)動電路的電源中獲得。旁路電容C1,C2盡可能地靠近HCPL-7800的管腿。旁路電容是必要的因為HCPL-7800內(nèi)部的高速的數(shù)字信號的特點，由于輸入電路的開關(guān)電容的本質(zhì)，在輸入側(cè)也要加上旁路電容C3，輸入的旁路電容也形成了濾波器的一部分，用于防止高頻噪聲。
對于采樣電阻的選擇也是本電路中的比較重要的部分，電流采樣電阻應(yīng)該具有很低的阻抗（可以達到比較小限度的功率損耗），很低的電感值（比較小的di/dt變化引起的電壓尖峰），。對于此電阻的選擇，一般是考慮比較小的功率損耗和比較大的準(zhǔn)確性的折中點。小的采樣電阻能夠減小功率損耗，而大的采樣電阻能夠用上HCPL-7800的整個輸入范圍從而提高電路的準(zhǔn)確性。
圖2 HCPL-7800的應(yīng)用電路圖
選擇采樣電阻的第一步是決定電阻的采樣電流的大小，圖3的曲線中，在不同的電機驅(qū)動電壓下，電機的相電流和電機的輸出功率之間的關(guān)系。采樣電阻的比較大值是由檢測到的電流和推薦的輸入電壓的比較大值決定，比較大采樣電阻的計算一般是用推薦的輸入電壓除以正常工作情況下采樣電阻的峰值電流。
比較大的平均功率損耗也很容易得到，如果采樣電阻的功率損耗太高，采樣電阻可以適當(dāng)減小以此來減小功率損耗。采樣電阻的比較小值被設(shè)計的準(zhǔn)確性和精確性所限制，隨著電阻值的減小，采樣電阻上的輸出電壓也減小，這意味著偏移量和噪音在信號的幅度中所占的比重加大，電阻值比較終在比較大值和比較小值之間的何值主要是根據(jù)特殊設(shè)計的特殊需要。
圖3 電機的輸出功率與電機的相電流和電壓的關(guān)系
當(dāng)采樣電流足夠大時引起采樣電阻明顯的發(fā)熱，由于采樣電阻獨立的信號溫升導(dǎo)致電阻溫升系數(shù)的非線性。電阻溫漂的變化導(dǎo)致結(jié)果的變化。這種影響可以通過減小電阻的溫度阻抗，或者使用低溫漂的電阻。減小電阻的溫度阻抗可以通過以下方法完成，重新布置線路板上采樣電阻的位置，在電路板上用粗線帶走多余的熱量，或者使用散熱片。
對于雙端的電流采樣電阻，隨著電阻值的減小，導(dǎo)線的阻值變得非常明顯。這樣對電阻的準(zhǔn)確性有兩個主要的影響。首先采樣電阻的有效電阻變得相對獨立，與導(dǎo)線的長度，彎度，在班子中插入的深度都無關(guān)。另一方面，導(dǎo)線一般的制作材料是銅，銅具有很高的溫度系數(shù)。
當(dāng)用四端的采樣電阻，這些影響就會消除，這個四端采樣電阻多于的兩端通過電阻元素本身用卡爾文方式連接起來，這兩端用于監(jiān)視電阻的電壓。同時另外兩端被用于電流通路，因為是卡爾文連接方式，導(dǎo)線上的任何電壓降都不會對檢測電壓有影響。當(dāng)為電流采樣電阻布板時，電阻的卡爾文連接點應(yīng)該在電阻下面，非常靠近HCPL-7800的輸入端，這樣能夠達到比較小的連接面積，同時減小檢測信號的磁場干擾的可能性。
對于采樣電阻和HCPL-7800的連接如圖2所示，VIN+連接到采樣電阻的正端，同時VIN-跟GND1短接，功率電源的返回路徑又作為采樣線連到采樣電阻的負(fù)端，參考采樣電阻的負(fù)邊輸入電路，任何負(fù)載電流上產(chǎn)生的暫態(tài)噪聲都被視為共模信號，不會干擾采樣電流信號。這個很重要因為很大的電流流過電機驅(qū)動，電路線路中內(nèi)在的寄生電感將產(chǎn)生比正常信號大得多的尖峰和補償。
如果門極驅(qū)動電路和電流采樣電路使用的是同一個電源，為了消除潛在的地環(huán)的問題，從HCPL-7800的GND1到采樣電阻是門極驅(qū)動電流的唯一回路。HCPL-7800電路和門極驅(qū)動電路的唯一連接點應(yīng)該是電源線的正極。
在隔離運放的輸出側(cè)，光耦隔離運放的后端應(yīng)該具有足夠高的準(zhǔn)確性，以至不會產(chǎn)生很明顯的偏差或者相對于隔離運放產(chǎn)生的偏差和。一般，隔離運放的極輸入階段相對于JFET，MOSFET輸入階段產(chǎn)生很好的偏差效果。
另外，隔離運放也具有足夠的帶寬和斜率，以至它不會影響整個電路的響應(yīng)速度。同時運放的后端電路包括C5,C6形成的一個單極低通濾波器，這些電容使運放的后端電路的帶寬被調(diào)整與增益無關(guān)，同時減小隔離運放產(chǎn)生的輸出噪聲，在電路中可以用許多種運放，包括：MC34082A, TLO32A, TLO52A, TLC277, LF412A.
3. 結(jié)束語
HCPL-7800（A）對電機電流的采樣具有獨到的特點，這使它在該領(lǐng)域具有很廣的應(yīng)用前景。為了達到比較好的應(yīng)用效果，一定要注意一些細節(jié)的應(yīng)用。