設(shè)計步驟

• 電路規(guī)格
  • 負(fù)載電源 (V_bus)：100V
  • 負(fù)載電流 (IS1)：1A 至 10A
  • 輸出電壓 (V_out)：0.5V 至 5V

• 運算放大器選擇

  • 運算放大器共模電壓 (VCM) 需要等于或大于總線電壓 (V_bus)

  • 為了盡可能減小直流誤差，最好使用具有較小失調(diào)電壓、溫漂、偏置電流以及較大 CMRR 和 PSRR 的運算放大器
  • 由于運算放大器的兩個輸入電壓都接近 V_bus，因此運算放大器的最大共模電壓范圍 (CMVR) 必須等于或大于運算放大器的正電源 V₊
  • 此應(yīng)用中選擇了 LMP7704-SP。該器件支持軌到軌輸入。它具有 60μV 的典型失調(diào)電壓、1 μV/°C 的溫漂、1pA 的偏置電流和 130dB 的 CMRR。它還具有軌到軌輸入和輸出。

• 分流電阻器選型
  • 注意事項：
    1. 增大分流電阻器值可以減小誤差，但會增加功耗并降低負(fù)載電源電壓
    2. 要選擇分流電阻器值，選擇使用 CSM3637 系列分流電阻器（數(shù)據(jù)表請參閱設(shè)計參考資料 部分）在 MATLAB? 中運行仿真。該系列分流電阻器的容差和溫度系數(shù)可低至 0.1% 和 10ppm/°C。誤差計算 顯示了用于計算 MATLAB 中輸出誤差的所有公式。
       

       如上圖所示，分流電阻器 (R_shunt) 和負(fù)載電流 (I_load) 用作計算輸出百分比誤差的輸入。結(jié)果表明，隨著 I_load 減小或 R_shunt 減小，輸出誤差百分比會增大。因此，在選擇 R_shunt 值以滿足規(guī)格中的最小要求時，負(fù)載電流設(shè)置為其最小值 (1A)。

       在以下曲線中，為獲得小于 0.7% 的平方和根 (RSS) 誤差，選擇了 10mΩ 分流電阻器。盡管增加 R_shunt 可以進一步提高精度，但它也會增加功率耗散。所選 10mΩ CSM 系列分流電阻的器件型號為 Y14870R00100B9W。電阻器的額定功率高達(dá) 3W。降額系數(shù)為 0.6（基于 EEE-INST-002）時，設(shè)計的分流電阻器功率應(yīng)小于 1.8W。當(dāng)最大負(fù)載電流設(shè)計為 10A 時，R_shunt 的最大功耗為 1W，這滿足要求。

       
  • 負(fù)載電源電壓計算方式：
    

    根據(jù)上一個公式，選擇 10m? (R_shunt) 時，V_load 從 100V 下降到 99.9V。

  • 分流電阻器自熱：

    根據(jù)分流電阻器數(shù)據(jù)表中的降額曲線，可以使用以下公式計算自熱系數(shù) (θ_SH) 和分流電阻器溫度變化 (ΔT)。

    
    

    將前面的公式插入 MATLAB 工具中，可在下圖中繪制負(fù)載電流與溫度變化之間的關(guān)系。從曲線中可以看到，滿負(fù)載電流為 10A 時，分流電阻器溫度比周圍溫度高出約 33.3°C

    

• R₅、R₆ 和 R₃ 選型
  • R₆ 和 R₃ 計算
    

    根據(jù)前面的公式，若要獲得 0V 至 5V 的 V_out 范圍，同時 R_shunt 等于 10kΩ，計算出 R₃ 與 R₆ 的比率為 50。選擇 R₅、R₆ 和 R₃ 的值時應(yīng)考慮 2 個方面：

  1. 為了盡可能降低運算放大器偏置電流的影響，選擇的 R₅ 與 R₆ 相同。
  2. 由于 PMOS 的零柵極電壓漏極電流 (I_DSS) 的影響，增加 R₃ 和 R₆ 可以降低功耗，但也會使最小 V_out 增大。

  R₆ 設(shè)為 49.9Ω，在計算的其余部分確定 R₃ 為 2.49kΩ。在此應(yīng)用中，選擇了型號為 303133 至 303138 的 Vishay? 箔電阻器作為仿真和誤差計算的參考。（請參見設(shè)計參考資料 部分。）

• PMOS 選擇
  1. PMOS 的閾值電壓 |V_th| 的絕對值需要足夠小，以便運算放大器打開和關(guān)閉 PMOS 柵極。
  2. PMOS 的零柵極電壓漏極電流 (I_DSS) 定義了柵極電壓等于 V_bus 時的漏電流。I_DSS 會設(shè)置較低的 V_out 范圍。
  3. 如果從運算放大器輸出 (V_o) 到柵極的導(dǎo)線電阻過大，PMOS 柵極電容可能會影響穩(wěn)定性。該電容在 1/? 曲線中添加了零。如果零點位于 1/? 和 AOL 交點的左側(cè)，則相位裕度會減小。因此，最好使用小柵極電容。
  4. 根據(jù)軍用標(biāo)準(zhǔn)，漏源擊穿電壓必須比 V_bus 大兩倍，最低要求 200V 擊穿電壓。
  PMOS 比較

  參數(shù)	IRF9230	IRHE9230	IRHN9250	IRHNJ597230
  D-S 擊穿 [V]	–200	–200	–200	–200
  Vgs [V]	-2 至 -4	-2 至 -4	-2 至 -4	-2 至 -4
  零柵極電壓漏極電流 [μA]	-25 至 -250	-25 至 -250	-25 至 -250	-10 至 -25
  輸入電容 [pF]	700	1200	4200	1344
  安裝類型	TH	SMT	SMT	SMT
  尺寸 [mm]	39.37 × 25.53	7.94 × 9.41	16 × 11.55	10.28 × 7.64

  如 PMOS 比較 表中所示，選擇 IRHNJ597230 是因為它具有最小的 I_DSS，并且封裝尺寸和輸入電容相對較小。

• 并聯(lián)基準(zhǔn)和 R2 選型

  本設(shè)計中的并聯(lián)電壓基準(zhǔn)用于為 LMP7704-SP 運算放大器創(chuàng)建 95V 的虛擬電源電壓。LMP7704 的最大電源電流為 4.5mA。因此，所選并聯(lián)基準(zhǔn)的電流范圍必須大于 4.5mA。

  并聯(lián)基準(zhǔn)選項列出了用于比較的兩個并聯(lián)基準(zhǔn)選項。兩個并聯(lián)基準(zhǔn)的電流范圍都大于 4.5mA。在這種情況下，只要 V_EE 約為 95V，反向擊穿電壓容差就不是很重要。因此，即使 TL1431 在總體上具有更好的性能，也最好使用 LM4050QML，因為它的尺寸更小且所需的元件更少。

  并聯(lián)基準(zhǔn)選項

  參數(shù)	TL1431-SP	LM4050QML-SP
  反向擊穿電壓容差 (%)	0.4	1.75
  TID (krad)	100	100
  需要的元件	5	3
  電流范圍 (mA)	1 至 100	0.06 至 15
  安裝類型	SMT	SMT
  尺寸 (mm)	10.16 × 7.11	6.86 × 10.41

  由于 LMP7704 消耗的最大電流為 4.5mA，并且所選的并聯(lián)基準(zhǔn)至少需要 0.06mA，因此流經(jīng) R2 的電流設(shè)計為 4.75mA。通過以下公式計算 R2：