隨著提升系統(tǒng)效率的需求不斷增長(zhǎng)，我們面臨著改善電機(jī)工作效率和控制功能的直接壓力。幾乎所有類(lèi)型的電機(jī)均面臨著這種需求壓力，包括白色家電、工業(yè)驅(qū)動(dòng)器和汽車(chē)應(yīng)用中使用的電機(jī)。反饋回控制算法的電機(jī)運(yùn)行特性至關(guān)重要，能夠確保電機(jī)高效運(yùn)行。相電流是系統(tǒng)控制器使用的重要診斷反饋元素之一，支持電機(jī)實(shí)現(xiàn)出色性能。

由于測(cè)量信號(hào)具有連續(xù)性并與相電流直接相關(guān)，因此如圖 1所示，測(cè)量電機(jī)電流的理想位置與各相一致。在其他位置（如每個(gè)相位的低側(cè)）測(cè)量電流需要首先針對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新組合和處理，以便控制算法使用有意義的數(shù)據(jù)。

圖 1 直列式電流檢測(cè)

電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)生成脈寬調(diào)制 (PWM) 信號(hào)控制電機(jī)運(yùn)行。這些調(diào)制信號(hào)使得位置與各電機(jī)相位一致的測(cè)量電路進(jìn)行共模電壓轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，電壓將在極短時(shí)間內(nèi)于不同高電壓水平之間進(jìn)行切換。理想放大器能夠完全抑制測(cè)量值的共模電壓分量，同時(shí)僅對(duì)流經(jīng)分流電阻器的電流對(duì)應(yīng)的差分電壓進(jìn)行放大。不幸的是，實(shí)際使用的放大器并非理想放大器，大 PWM 驅(qū)動(dòng)輸入電壓階躍將對(duì)其產(chǎn)生影響。由于實(shí)際使用的放大器無(wú)法無(wú)限抑制共模電壓分量，因此放大器輸出將出現(xiàn)與每次輸入電壓階躍相對(duì)應(yīng)的大幅度意外干擾，如圖 2所示。這些輸出干擾（或毛刺）可能極大，輸入轉(zhuǎn)換后需要很長(zhǎng)時(shí)間方可趨于穩(wěn)定，具體時(shí)間取決于放大器特性。

圖 2 大輸入 V_CM 階躍產(chǎn)生的典型輸出毛刺

此類(lèi)測(cè)量的常用方法是選擇帶寬較高的電流檢測(cè)放大器。為了將頻率保持在可聞范圍之上，選擇的調(diào)制頻率通常介于 20kHz 至 30kHz 之間。在這些 PWM 驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中進(jìn)行直列式電流測(cè)量的放大器選擇目標(biāo)是信號(hào)帶寬在 200kHz 至 500kHz 范圍內(nèi)的放大器。以往選擇放大器時(shí)并不基于明顯低于 PWM 信號(hào)帶寬的實(shí)際信號(hào)帶寬。選擇較高放大器帶寬的目的是使得輸出毛刺在輸入電壓轉(zhuǎn)換后快速趨于穩(wěn)定。

INA240 是一款高共模雙向電流檢測(cè)放大器，專(zhuān)為這些類(lèi)型的 PWM 驅(qū)動(dòng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)。該器件利用集成增強(qiáng)型 PWM 抑制電路解決了在高共模電壓階躍過(guò)程中測(cè)量較低差分電壓的問(wèn)題，從而顯著減弱輸出干擾并快速實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定。標(biāo)準(zhǔn)電流檢測(cè)放大器依賴(lài)高信號(hào)帶寬使輸出在階躍后快速恢復(fù)，而 INA240 電流檢測(cè)放大器具有內(nèi)部 PWM 抑制電路，可以在改進(jìn)輸出響應(yīng)的同時(shí)降低輸出干擾。圖 3 說(shuō)明了 INA240 輸出響應(yīng)在此內(nèi)部增強(qiáng)型 PWM 抑制功能作用下的改進(jìn)。

圖 3 通過(guò)增強(qiáng)型 PWM 抑制減少輸出毛刺

對(duì)于許多三相應(yīng)用，有少量與該直列式電流測(cè)量精度相關(guān)的要求。為了確保充分控制補(bǔ)償回路，除了要求輸出快速響應(yīng)外，還需限制輸出干擾，以免出現(xiàn)虛假過(guò)流指示。對(duì)于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向 (EPS) 等其他系統(tǒng)，需要通過(guò)精密電流測(cè)量為轉(zhuǎn)矩輔助系統(tǒng)提供必要的反饋控制。EPS 系統(tǒng)的主要目標(biāo)是通過(guò)附加轉(zhuǎn)矩輔助駕駛員施加于方向盤(pán)的轉(zhuǎn)矩，同時(shí)在轉(zhuǎn)向響應(yīng)中提供與駕駛條件相對(duì)應(yīng)的典型感受。在這種嚴(yán)格受控的系統(tǒng)中，相間電流測(cè)量誤差可能變得非常明顯。各相位之間所有未加考慮的變化均將直接導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩紋波增大，駕駛員可通過(guò)方向盤(pán)察覺(jué)這種變化。減少測(cè)量誤差，尤其是溫度引發(fā)的誤差對(duì)于保持精確反饋控制并提供無(wú)縫用戶(hù)體驗(yàn)至關(guān)重要。

常用系統(tǒng)級(jí)校準(zhǔn)能夠不斷降低室溫下對(duì)于放大器性能的依賴(lài)性，從而提升測(cè)量精度。然而，隨著運(yùn)行溫度的不斷變化，考慮參數(shù)漂移（如輸入偏移電壓和增益誤差）更具挑戰(zhàn)性。良好的溫度補(bǔ)償機(jī)制基于放大器性能隨溫度變化的特性，同時(shí)依賴(lài)于各系統(tǒng)針對(duì)外部條件作出的一致且可重復(fù)響應(yīng)。如果放大器在溫度引起的移位最低時(shí)保持穩(wěn)定的能力得到提升，對(duì)于復(fù)雜補(bǔ)償方法的依賴(lài)程度將隨之降低。

INA240 在室溫下具有 25μV 的最大輸入失調(diào)電壓和 0.20% 的最大增益誤差規(guī)格。更重要的是，對(duì)于要求溫度穩(wěn)定測(cè)量的應(yīng)用，該器件的輸入失調(diào)電壓溫漂為 250nV/°C，放大器增益溫漂為 2.5ppm/°C。即使工作溫度在系統(tǒng)的完整溫度范圍內(nèi)發(fā)生變化，測(cè)量精度依然恒定不變。

INA253 和 INA254 包含集成式分流器，具有 INA240 放大器的所有性能優(yōu)勢(shì)。集成式分流器是一款具有 0.1% 容差 (INA253) 或 0.5% 容差 (INA254) 的低電感、精密 2mΩ 或 400μΩ 分流器，兩者的溫漂都小于 15ppm/°C。INA253 是精度超高的電流檢測(cè)放大器，可消除由于布局而引入的分流和寄生誤差。

INA240 將測(cè)量溫度穩(wěn)定性、寬動(dòng)態(tài)輸入范圍和增強(qiáng)型 PWM 輸入抑制（這一點(diǎn)最重要）集于一體，適合需要精確可靠的測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)精確控制性能的 PWM 驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。

備選器件建議

根據(jù)必要的系統(tǒng)要求，其他器件可提供所需的性能和功能。INA282 能夠非常精確地測(cè)量大共模電壓，這些電壓的變化速度不會(huì)像 PWM 驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的典型變化速度那樣快，因此該器件適合高電壓直流應(yīng)用。INA241B 是一款雙向電流檢測(cè)放大器，用于采用 PWM 抑制技術(shù)的高共模電壓。