技术干货 | 计算电流测量精度以提高功能安全

德州仪器 2021-09-20 18:30

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随着功能安全要求日益受到重视,改进系统诊断功能势在必行。其中,电流测量便是诊断评估的一项重要内容。要确定设计的测量精度,务必要了解误差源。


了解如何解读数据表对于计算高侧电流测量的精度非常重要。此外,了解外部元件的影响对于获得正确的电流测量结果也至关重要

高侧电流检测实现

在高侧配置中,有两种常用的电流测量方法:

  • 使用差分运算放大器,如图 1 所示。

图 1. 用于高侧电流测量的运算放大器电路


  • 使用电流检测放大器,如图 2 所示。

图 2. 用于高侧电流测量的电流检测放大器电路


这两种方法具有一些根本的区别,主要体现在电流检测放大器集成了增益电阻器网络,而运算放大器则使用外部分立式电阻器作为其增益网络。无论您使用哪种方案,基本系统传递函数都适用,如下方公式所示:

其中

  • y 是输出电压 (V_OUT)。

  • m 是系统增益,对于此系统为 R_SHUNT×G。G 是为大多数电流检测放大器预定义的,而对于运算放大器,则为 R_F/R_I。

  • x 是输入电流 (I)。

  • b 是系统的失调电压。如果系统测量双向电流,当输入电流为零时,b 是输出电压。如果单向测量,b 在 0A 下的理想电压为 0V,但它可能会受到放大器输出摆幅规格的限制。对于运算放大器和电流检测放大器,V_OFFSET 通常是以输入为参考规格。因此,b 实际上还需要考虑系统的增益。


电流测量的传递方程可改写为下方公式:

基于此基本传递函数,有两种误差类型:增益和失调电压。

增益误差

系统增益误差有两个主要来源:分流电阻器和放大器增益。分流电阻器误差对于运算放大器或电流检测放大器是常见的,通过查看电阻器规格表很容易确定,而放大器的增益误差则取决于选择的放大器方案。


对于差分运算放大器方案,如前所述,增益是两个电阻器的比率,即 R_F/R_I。要计算误差,需查看电阻器的数据表。典型分立增益网络电阻器的容差为 0.5%、100ppm/°C。要计算此比率的最大误差,需假设一个电阻处于最大值,而另一个电阻处于最小值。这会在室温下产生 1% 的误差,并且由于假设会发生反向漂移,因此在 125°C 下为 3%。


对于电流检测放大器,增益误差通常列在数据表中。图 3 显示了德州仪器 (TI) INA186-Q1 的增益误差。可以看到,室温下的增益误差为 1.0%。温漂为 10ppm/°C 时,125°C 下的增益误差为 1.1%。

图 3. INA186-Q1 增益误差和

增益误差漂移规格数据表


这是 TI 电流检测放大器的一个主要优势:精度匹配的集成增益网络可更大限度地减少温漂效应。对于运算放大器电路,您可以使用精度匹配的电阻器网络,但它们会显著提高方案成本。

偏移误差

如上所述,输出失调电压必须包括增益。由于失调电压通常指定为以输入为参考,因此可按如下所示计算失调电压误差:

可以看出,当 V_SHUNT (IxR_SHUNT) 接近失调电压值时,失调电压误差很重要,并且随着电流变为 0,失调电压误差将接近无穷大。相反,如果 V_SHUNT >> V_(TOTAL OFFSET),那么此误差项将接近 0。


总输入参考失调电压具有三个主要组成部分:

  • 放大器 V_OFFSET 规格和漂移。

  • 共模抑制比 (CMRR)。

  • 电源抑制比 (PSRR)。


由于放大器的 V_OFFSET 通常在固定共模电压和电源电压下指定,因此 CMRR 和 PSRR 也是造成失调电压误差的因素。图 4 显示了 INA186-Q1 的固定值,图 5 显示了常用运算放大器 TI TLV2186 的固定值。

图 4. INA186-Q1 在固定共模电压和

电源电压规格下的 CMRR 和 PSRR 数据表

图 5. TLV2186 在固定共模电压

和电源电压规格下的 CMRR 和 PSRR 数据表


数据表中电流检测放大器的 V_OFFSET 指定方式与运算放大器不同。具体而言,电流检测放大器失调电压包括集成电阻器网络的影响,而运算放大器V_OFFSET 仅适用于器件。运算放大器方案中的总失调电压需要将外部电阻器的影响考虑在内。


由于电流从共模电压流经外部电阻器,因此可将外部电阻器视为导致共模抑制误差的原因。假设所有四个增益电阻器具有相同的容差,根据公式,电路的增益和电阻器的容差将确定“电阻器 CMRR”:

图 6 所示为不同增益和电阻器容差下计算出的电阻器 CMRR(以分贝为单位),您可从中看到不同增益和电阻器容差所产生的影响。

图 6. 在三种不同增益配置、不同电阻容差下

计算出的 CMRR 值


对于电流检测放大器,只需将 CMRR 和 PSRR 的影响添加到器件的失调电压规格中,即可计算出总输入失调电压。通常会在整个温度范围内指定 CMRR 和 PSRR;因此,任何漂移影响都已考虑在内。但是,计算不同温度下的误差时必须考虑温漂。

总误差

理论上,最坏情况下的总误差只是各个误差项的总和。从统计学角度讲,所有误差同时发生的这种情况不太可能发生。因此,使用平方和根方法计算一阶总误差:

图 7 列出了使用 INA186-Q1 和 TLV2186 且增益为 20 时的关键性能指标。

图 7. 使用 INA186-Q1 或 TLV2186 实现

高侧电流测量应用的关键性能指标


图 8 展示了两种方案使用 10mΩ、0.5%、50ppm/°C R_SHUNT 分别在室温和 125°C 时用误差公式计算得出的以下误差曲线。

 图 8. 高侧电流测量方案结合使用 INA186-Q1 或 TLV2186 以及 10mΩ、0.5%、50ppm/°C R_SHUNT 时的平方和根误差曲线


从图 7 和图 8 中可以看出,外部增益电阻器是分立式方案的主要误差源,在温度变化时尤为明显。校准可以更大限度地降低室温下的失调电压误差,但温漂不容易校准。

总结

通过增加可实现的设计裕度,提高电流检测方案的精度可以提高系统的诊断能力。但与任何电子系统一样,提高精度通常需要增加系统成本。通过了解不同工作条件下的误差源及其影响,您能够在成本和精度之间做出适当的权衡。


如需获取更多在线技术支持,请访问 TI E2E 中文支持论坛 (e2echina.ti.com)。

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