專用整合電路的應用使電流監控變得越來越簡單。各種電流監控整合電路隨時買得到,而且多數情況下都工作得很好,還有各種儀表放大器也是如此。使用離散元件構建電流監控器似乎顯得多餘,然而在某些情況下,特別是在有現成的低壓元件時,使用離散元件的電路來進行電流監控可能是最好的方法。

本設計實例中的電路用於監控伺服系統+180/-180V電源的兩個電源軌中的電流。圖1顯示了用於監控負軌的電路相關部分,監視正軌的電路只需用pnp設備替換npn即可。採用價格便宜的雙電晶體和1%電阻來設置Iref,以及Re1和Re2可獲得最佳效果。Rsense應為0.1%並且具有足夠的額定功耗。

20190731TA31P1 圖1 負軌監控電路。

圖1所示電路和所有類似拓撲結構的設計靈感均來自電流鏡拓撲結構,以及Re2上的電流隨Rsense上的電流、相應地Rc1上的電壓隨Rsense上的電壓線性變化的這個概念。

該電路的作用依賴於Re1和Re2。讓Iref相當小而Re2和Re1相當大,當Re2和Re1的值相等時,相對於Rsense上的電壓,發射極的電壓將增加。當負載在無負載和滿負載之間變化時,這將反過來減小輸出設備上Vce的變化。

因此,審慎而明智地選擇Iref、Re1、Re2、Rc2和Rc1可以防止Q2進入飽和狀態並且不會超過電晶體的最大工作電壓。請記住,hoe=I(集電極)/VA(早期電壓)意味著減少Ic的變化也會減少β的變化,從而改善線性度。Rc是Rc1和Rc2之和,因此比率Rc1/Rc確定無負載時Vout-處的偏移。滿載時Rsense上的電壓決定了Re2和Rc1的電流變化,從而決定了Vout-的滿量程輸出。一旦Iref值建立,就可以很容易計算出Rc和Rd上所需的無負載電壓。透過使用發射極電阻,可以顯著降低Vce變化對Q2的β的影響,而且從模擬資料可以看出,β的變化對負載電流和輸出電壓之間相關性的影響相對較小。鑒於這些結果,採用類似於威爾森(Wilson)電流鏡的配置似乎並沒有必要。

圖2和圖3顯示了用恆流源產生Iref的替代解決方案。如果Vss穩定且沒有波紋,則可以省略恆流源產生器,並且可以利用設定Rd值來提供Iref。

20190731TA31P2 圖2 用恆流源產生Iref的替代解決方案。

20190731TA31P3 圖3 設置FET偏置,使啟動時Iref不會導致Vce或Vds超過最大值。

圖4所示的電路反轉了Vout-,消除了偏移,並將輸出調整到所需範圍,還可以過濾輸出端出現的電源波紋或負載尖峰。若配以帶有ADC的微控制器,則可以將電路簡化為僅反轉Vout-。

20190731TA31P4 圖4 反轉Vout-消除了偏移,將輸出調整到所需範圍,並可以過濾輸出端的電源波紋或負載尖峰。

如果滿載時VRe1至少比VRsense大10倍,那麼Q2將不會進入飽和狀態,並且:

VRsense = (Iload+Iref) × Rsense (1)

VRe1=10(VRsense (full load)) (2)

Iref=IRe1,無負載,即Iload=0,那麼:

Re1=VRe1/Iref=Re2 (3)

Vccs是恆流源兩端的電壓,IRe1約等於Iref,Vbe可以為0.6~0.65V:

Rd=(Vss–(Vccs+Vbe(Q1) +VRe1 ))/Iref (4)

Vce是Q2上無負載時所需的最大電壓。IRe2約等於Iref,那麼:

Rc=(Vss–Vce)/I(Re2) ≈ (Vss–Vce)/Iref (5)

Vout-無負載時所需的失調電壓決定了Rc1的值:

Rc1≈(RcxVout-(offset))/VRc (6)

由於I(Rsense)=Iref/10,因此可以估算滿載時的IRe2:

IRe2(full load) ≈ 1.1 × Iref (7)

在最大負載電流下,Vout-的滿量程值約為:

Vout-(fullscale)-Vout-(offset)≈Rc1 × IRsense(full load) (8)

採用LTspice電路模擬軟體產生圖5、圖6和圖7的曲線,以顯示電路工作期間的線性度、濾波效果,以及Vce和Vds。負載電流從0增加到1安培,輸出電壓疊加在負載電流上,其結果與實際的電路性能非常接近。由於負載電流尖峰值持續時間短,濾波防止了跳閘。隔離雖可能沒有必要,但在設計高壓電路時應始終予以考慮。

20190731TA31P5 圖5 將圖4中25nF的電容C1去掉後的Vout。

20190731TA31P6 圖6 圖4中加上25nF電容C1時的Vout。

20190731TA31P7 圖7 主動設備上的電壓。

(參考原文: High-voltage current sensing with low-voltage transistors,by Seagan Yi-O'Kelly)