我要投搞

标签云

收藏小站

爱尚经典语录、名言、句子、散文、日志、唯美图片

当前位置:香港跑狗图 > 电阻负载 >

电阻性电源负载的模拟在线电阻监视

归档日期:04-30       文本归类:电阻负载      文章编辑:爱尚语录

  负载电流监视功能的典型电源控制应用可以如图1所示那样建模,其中忽略了任何感抗现象。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代表所有寄生电阻,建模的是互连走线、连接器和任何可能的机械或电子开关(闭合时)的电阻;Rs是电流检测电阻。设Rp是总的寄生电阻,定义为Rp = Rp1 + Rp2 + Rp3。如果U和Rp是常数,那么I在R改变时才会改变,因为Rs是常数。因此评估R的偏差只需要监视电流即可。然而在大多数情况下,实际的U和Rp不是固定不变的。事实上,即使在常见的恒压PWM电源控制应用中,U也可能因为电源过高的内部(不良调整)和/或电压容差而偏离期望值。寄生电阻Rp包含导线、连接器和开关的电阻,它们通常会因温度、用途和老化的原因而发生变化。举例来说,如果开关是功率MOSFET实现的,那么由于它具有正温度系数,它的Rds(ON)会随温度的上升而增加。

  很明显,U和Rp的变化将影响基于电流的简单电阻监视方法的精度。为了克服这个问题,可以在计算实际负载电阻(R)的基础上进行电阻监视,方法是测量负载电流和负载电压,然后根据欧姆定律计算它们相除的结果。现在典型的方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(即微控制器)。这种方法很有吸引力,特别是当系统中已经有微控制器的时候。然而,由于可靠性或安全方面的原因,用软件完成计算任务的这种方法可能行不通,或者根本不可取。

  例如在医疗级设备中,标准IEC 60601-1(条款14)规定,如果由可编程系统来确保至关重要的安全性,那么开发周期必须遵循规定的程序,这将使最终系统的开发和随后的认证进一步复杂化。另外一种方法是在模拟域中执行除法操作,方法是使用精密的模拟分压集成电路(IC)。然而,这种IC一般很昂贵,而且不很常见。不过在模拟域中,我们可以利用经典的惠斯通电桥在低功耗电阻测量中一种很著名的电路。它将是我们讨论的起点。

  在展开讨论之前,最好是将R定义为R = Rn(1+),其中Rn是R的归一化值,是R的相对误差,定义为 = R/Rn 1。另外,让我们将阈值点i 和s定义为监视系统启动故障条件信号点之外的值(分别对应更差和更好)。在图2a)中,惠斯通电桥和比较器用来产生逻辑信号,指示R是大于还是小于某个阈值。很容易表明,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,通过在参考支路和两个比较器中使用一个额外的电阻(R3),可以扩展拓扑,实现阻值窗口比较器。阈值点i 和s由R1、R2和R3之间的比值设定,因为它们确定了比较器(Ut1和Ut2)的阈值电压。

  虽然图2 b)所示电路的阈值点独立于U,但它们仍然受电源分支(图1中所示)寄生电阻的影响。另外,比较器的共模和差分输入电压通常很小(R>

  Rs)。事实上,期望的差分输入电压范围与比较器的输入偏移电压(IOV)通常是相当的,因此会严重影响监视系统的精度。

  为了克服Rp依赖性,我们可以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,我们可以在比较器之间进行适当的电压调整,以克服比较器上很小的差分输入电压引起的参考精度损失问题。这种解决方案的通用模型见图3,它包括寄生电阻Rp1、Rp2和Rp3。在这个模型中,负载电压和负载电流(表示为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)和增益确定电阻实现。

  需要注意的是,只有当这种运放的IOV范围比比较器的IOV更窄时,才有可能减少由于很小的差分输入电压引起的误差。不过这个条件不难满足,因为精密运放的IOV范围通常都要比精密比较器小,这也是为什么在一些低速高精度应用中将运放用作比较器的原因。

  对电流的差分测量可以转换为更简单的单端测量,方法是将Rs下面的端子连接模拟地(电阻监视部分的地)。图3中的新变量被定义为:

  模型的阈值点(i, s)由模型增益定义,见公式(1)。从公式(1)可以看到,阈值点不受U或Rp的影响,这也是我们希望看到的结果。

  现在我们应该把实际阈值点(i, s)和想要的阈值点(T)区分开来,后者通常相当于容差R加上一些安全余量。注意,为了简化分析,我们假设想要的阈值点刚好相反。通过选择增益开展模型调整,目的是使i = (-T)和s = T。基于这样的考虑,模型增益见下面的公式(2)、(3)、(4)和(5)。在这些公式中,U、Ut1、Ut2和Rp的选择对于最大限度地提高性能来说很关键。这个课题后面再讨论。

  假设增益级电路是理想的情况下,图4和图5分别画出了作为函数的比较器输入电压(Uu1, Ui1, Uu2, Ui2, Ud1 和Ud2)。在图4中,实线V时的结果,虚线V时的结果。Rp值保持不变。从图中可以看出,阈值点(i和s)不受U变化的影响。

  在图5中,实线m时的结果,虚线m时的结果。在这两种情况下,U保持不变(U=15V)。从中可以看出,i 和s不受Rp变化的影响。

  虽然U和Rp的变化不影响i 和s,但它们影响比较器的单端和差分输入电压,见图4和图5。因此模型增益的确定应慎重,要确保满足比较器的共模输入电压范围(CMIVR)要求。在这个例子中,假设比较器能够实现接近地电位的检测,也就是说它们的共模输入电压范围可以从0(或以下)扩展到某个正值。在图4 a)和图5 a)中可以看到,在低于和高于i 与s时,相关的输入电压(对i来说是Uu1和Ui1,对s来说是Uu2和Ui2)呈现相反的趋势。

  因此,相关输入电压在i和s处同时具有最高值,分别是Ut1和Ut2。要想比较器在i 和s点提供正确的输出状态,Ut1和Ut2必须在它们的共模输入电压范围之内(CMIVR)。如果是这样,相关输入电压可能在低于和高于i 和s时超出CMIVR,因为每个比较器至少有一个输入电压在CMIVR内是有保证的,而且大多数比较器在这种情况下仍能提供正确的输出状态。符合工业标准的LM393就是具有这种能力的一个典型例子。从图4 a)和图5 a)中可以看出,Ut1和Ut2不是固定的,它们会随着U增加和/或Rp减小而增大。

  当U位于其最大可能值、Rp位于其最小可能值(在大多数情况下可以认为是0)时,将形成在比较器CMIVR方面最差的工作条件。在计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)有可能导致i 和s阈值点偏离期望值,并降低电阻监视的精度。为了尽可能减小这种漂移幅度,我们应该尽可能增加分别对应i 和s的Ud1和Ud2斜率模(绝对值),如图4 b)和图5 b)所示。

  另外观察图4 a)和图5 a)可以看出,通过增加Ut1和Ut2也可以减小这种漂移。考虑到前面讨论的共模输入电压范围(CMIVR)限制,我们可以得出结论:应选择接近CMIVR上限的Ut1和Ut2电压值,并留一些安全余量应对实际元件的容差和漂移。选好Ut1和Ut2后,就可以将它们与T、Rn、Rs、U (最大值) 和Rp (最小值)一起代入增益公式((2), (3), (4), (5))计算模型增益,完成模型的调整。

  相反,当Ud1和Ud2斜率模减小时,由于输入偏移电压(IOV)引起的阈值点漂移将变得更糟,见图4 b)和图5 b)。从这些图还可以看出,这些模值随U的减小和/或Rp的增加而减小。因此最差精度损失发生在最低期望的U值和最高期望的Rp值时。总之,由IOV引起的精度损失行为可以被总结为:针对某个特定的比较器IOV范围,为了满足特定的精度要求,必须重视相应的最小U值和最大Rp值。

  也可能在一些特殊情况下,U=0和/或Rp (+)。符合这些情况的例子包括U供电电源的关断或故障、保险丝熔断、PWM应用中功率开关的开路等。在发生这些事件时,所有比较器的输入电压将接近于0,输出信号(Fault)将没有统一的状态。此时Fault应被忽略,或被某些额外的检验电路关闭。

  请注意,有关模型调整和性能的上述结论不是专门在分析图4和图5基础上得出来的。这些结论实际上基于的是对模型的数学分析,本文只提供了一些重要的设计公式。

  除了比较器的输入偏移电压(IOV)外,监视的精度还受电流检测电阻(Rs)的容差以及增益级电路的误差(包括运放的IOV、增益确定电阻(只有标准值电阻)偏离理想值的幅度以及电阻容差)的影响。鉴于误差源有很多,监视的有效精度最好通过对整个系统执行Monte-Carlo分析进行评估。大多数SPICE仿真器都提供这种分析方法。

本文链接:http://mikephotos.net/dianzufuzai/238.html