IR217x线性电流传感器IC的使用

　　1. 基本功能

　　这部分主要涵盖了电流传感器IC的基本功能。

　　线性电流传感器IC是为了将电流信号从电机的高端驱动电路转换倒低端驱动电路而设计的，这样，电流信号就能够被以地为参考的控制电路来进行处理了。

　　模拟输入信号实际上是外部取样电阻上的压降。随着电机相电流的变化，取样电阻上面产生一个很小的交流电压信号作为IR2175电流传感器IC的输入。IR2175的最大输入电压为+260mV，因此，过载电流流过取样电阻时所产生电压应为260mV(例如：对于10A的过载电流，取样电阻应为26mΩ)。

　　在IR2175的高端电路中，交流输入信号被转换成载频为130kHz的PWM信号，经过电平转换，PWM信号被转换成了以地为参考点的信号。

　　PO是一个开漏的PWM输出脚，这意味着，它很容易地和工作电压从3.3V到15V的控制电路进行接口。由于PO是开漏输出的，因此它上面需要接一个上拉电阻(上拉电阻的大小根据与PO所连接电路的输入电流的不同而进行选择，其典型值为1-10kΩ)。

　　有两种方法来处理电流传感器IC的输出信号：

1．用滤波器滤掉载波信号从而重构模拟电流信号；

2．直接和低端数字控制电路(如：单片机或DSP)进行接口，并用软件来计算电流。

　　实现方法和电路将在第3、4部分讨论。

　　通过自举电路，可在Vb和Vs之间产生高端悬浮电源，下面将对其进行描述。Vbs电源的最小值为8V，此时，电路可正常工作，但我们推荐Vbs和Vcc电压要保持在10V以上。

2. 自举电路

　　Vbs是一个在Vs电压的峰值上面浮动的电源(在大多数情况下，Vs是一个高频方波)。有许多方法可以产生Vbs悬浮电源，其中的一种方法就是在这里我们所讲述的自举电路。这个方法的优点是简单、便宜，但是它也有一些局限性，例如：为了刷新自举电容的电荷就限制了占空比(长的导通时间及较高的占空比就需要充电泵，详细内容请参考应用笔记AN978)。自举电源是由一个二极管(Dbs)和一个电容器(Cbs)组成的，如图1所示。

图1 典型连接图

　　自举电路的工作原理是：当Vs被下拉到地(或者通过低端FET或者负载，这和电路的结构有关)，自举电容(Cbs)通过自举二极管(Dbs)从15V的Vcc电源进行充电，从而提供了电源Vbs。当Vs通过高端开关被拉到最高电压时，Vbs是浮动的，并且此时自举二极管被反向偏置，从而阻断了充电回路。

3. 在输出端重构模拟电流信号

　　重构模拟电流信号的最简单、最廉价的方法就是用低通滤波器滤掉PWM信号的载波。有很多种低通滤波器可以使用——无源的和有源的。这里我们集中在简单和低成本上，因此我们考虑两种选择：无源RC滤波器和一阶有源滤波器。

3.1无源滤波器

　　最简单、最廉价的低通滤波器就是基本的RC低通滤波器。这种滤波器没有精确的截止频率，典型的下降斜率是6分贝每十倍频程，因此电路的-3d点应设计成接近电流信号的基频，在电机驱动中，它一般在8-10kHz的范围内。较好的解决方法是用一个二阶RC滤波器，如图2所示。

图2 二阶RC 滤波电路

　　这个例子中，第一阶被设计为7.2kHz的截止频率，即用标准的公式：

　　并使R1=10kΩ , C1=2.2nF。第二阶我们使用更高的截止频率来进一步地削弱开关频率，但是对8-10kHz的载频有很小的影响，因此R2=18kΩ, C2=470pF，因此，第二阶的截止频率为19kHz。使第二阶的阻抗高于第一阶的阻抗是一个很好的选择，这可以减小第一阶的负载阻抗。

　　在IR2175的PO输出端上，使用上面的滤波器，我们可以同时检测一个直流电流信号和一个8kHz的交流电流信号的线性。在一个典型的应用电路中，引入了电流传感器IC的交流电流信号，因此交流线性是很重要的测量方法，并且这也是我们所关心的。

　　典型情况和在这里我们作为一个例子所使用的是一个8kHz 交流输入信号，用交流输入信号在滤波器(使用了一个150nF的去耦电容器)上面测量其输出。图3为输出信号频率为130kHz 的IR2175的交流线性特性曲线。在下面的特性曲线中，当电压降至25mV时，理想情况下的线性要高于1%，此时，实际值同理想值的差是3%。

图3 带有二阶RC低通滤波器 的IR2175的交流特性

　　我们再次用RC滤波器来描述IR2175的特性，但这次用16kHz的输入信号(一些电机驱动系统正倾向于将这个频率作为PWM信号的开关频率)并且将图2中的R1改为4.7kΩ，此时的截止频率为15.5kHz，我们所得到的特性曲线如图4。

图4 带有二阶RC低通滤波器 的IR2175的交流特性

　　我们再次得到了所期望的优于1%的理想值的线性特性曲线。当输入电压降至最小分辨率为8mV时，它偏离了理想值。

　　为了比较，我们看一下在8kHz 的交流输入信号下，IR2172的交流线性特性。IR2172的PWM信号的载频为40kHz，我们采用和图3相同的滤波电路来进行测试。测试结果见图5。PWM信号的载频越低，精度越低，这就导致了在线性方面的性能较低，尤其是在低电平输入的条件下。

图5 带有二阶RC低通滤波器 的IR2172的交流特性

　　通常情况下，有源滤波器较无源滤波器相比，它有一个精确的截止频率点，在下面的部分，我们将看到它是如何实现的。

　　注：由于PO脚上负载的不同，我们不推荐使用无源的LC滤波器。

3.2 有源滤波器

　　典型情况下，有源滤波器较无源滤波器相比，它有一个精确的截止频率。在我们所期望的通频带是8kHz，滤波器的输出频率是40kHz的情况下，有源滤波器有一个更好的特性。在这个例子中，我们使用的是IR2172，但这个电路可以很容易地用于IR2175。

　　这里，作为一个例子，我们使用一个一阶VCVS(电压控制电压源)滤波器。图6是其电路原理图。这是一个基本增益为19的巴特沃斯滤波器。对于这种类型的滤波器来说，通常我们选择较高的增益，其截止频率是9kHz，它非常接近实际的输出频率。

　　图7示出了与RC滤波器同样的测试条件下的交流线性特性，可以看到它较无源滤波器的性能有很大的提高。输入电压下降到50mV时，其线性高于1%，在25mV时大约为9%。

图6 一阶VCVS有源滤波器

图7 一阶VCVS有源滤波器的交流特性

　　通过加上另一阶，可以进一步提高滤波器的性能，但是，达到这个性能的成本问题将决定这是否是必需的。

4. 输出端和数字电路的接口

　　在硬件方面，IR2175和诸如微控制器或DSP等数字电路的接口也是非常简单的。然而，软件算法则括包很多工作。但它可以限制我们在第3部分所讨论的电路的引入误差。其实，当初IR217x是为这种应用而设计的。

4.1硬件连接

　　由于IR2175和IR2171/2的PO输出端是开漏输出的，它和数字控制电路(如3.3V或5V供电的微控制器或DSP)接口时要接一个上拉电阻。接口电路见图8。

图8 IR217x和数字控制器的接口电路

4.2 软件算法

　　使用DSP和线性电流传感器的例子可在设计提示DT99-8中找到。设计提示给出了IR2171/IR2172与TI的DSP: TMS320C240的硬件电路和软件算法。

5. 在VS脚处理瞬时负偏压

　　注意：电流传感器IC要求有它们自已的单独的瞬时负偏压保护电路，这是由于它们和门极驱动器是不同步的。

　　对于电流传感器IC来说，Vs脚相对于COM脚的负偏压是非常危险的，这是于：不像门极驱动器，而电流传感器IC在转换期间要继续工作，此时高端的开关正在关断，正是这个原因，保证电流传感器IC在Vs脚没有瞬时负偏压是很重要的。在Vs脚的瞬时负偏压问题的更详细的内容，可以在设计提示DT97-3中找到。

　　注意，在典型的连接电路中，从COM脚 到Vs脚连接有一个二极管，在Vs与半桥输出间连接有一个电阻。这两个元件可以对Vs脚进行钳位，因此Vs脚可以较COM脚低一个二极管的压降。二极管应该是一个恢复时间小于100ns快恢复二极管，1A就足够了。在Vs管脚和半桥输出之间的电阻应该在10-20Ω的范围内。

　　注意，尽管在Vs脚和半桥输出之间的电阻是电流传感的通道(例如：在V+和V-之间)，但它没有电流感应信号，除非有电流流入这个电阻，这种情况仅仅发生在转换期间，并且持续时间很短，因此在IR2175输入端被运算放大器忽略，这是由于该运算放大器的摆率是有限的。

6. 布线建议

　　所有的电力电子电路的布局布线都是以减小寄生电感、电容为基础的。下面的图9是一个典型的半桥电路和杂散电感电路。在电路板上通过尽量减小走线距离、加大导线宽度来减小杂散电感。

图9 有杂散电感的典型半桥电路

　　对于IR2175电流传感器IC来说，它们的布局布线原则同门极驱动器的布局布线原则是类似的，如图10所示，在Vcc和Vbs上的去耦电容应尽可能的靠近IC，同时，在V-和Vs之间的连线也应靠近IC，从而来减小这两个管脚之间的压差。取样电阻和V+之间的连线也要尽可能的短，以便尽可能的来减小噪声耦合。

图10 去耦电容器的设计

　　图11是IR2175的一个布局布线的例子，这是图1电路的典型的连接图。注意，缩短取样电阻和IR2175之间的连线可以减小耦合到电流取样信号中的噪声，保持较宽的电流引线以减小杂散电感。由R2和D2组成的瞬时负偏压保护电路要尽可能的靠近IC，以便有最大效果。Vcc和Vbs上的去耦电容器也要尽可能的靠近IC管脚。

图11 典型的IR2175电路布局布线图

7.　dv/dt和及其对占空比的影响

　　这可以作为电流传感器IC的CMRR(共模抑制比)进行描述。在高端悬浮但有没开关切换的情况下(即Vs脚的电压是固定的)，占空比不会有波动。

　　然而，电流传感器IC很可能被用在和图1的典型电路图中所示出的相似的电路中，在图1中Vs管脚被连接到半桥的输出，在三相半桥电路中，我们要用两个电流传感器IC来测量电机的相电流。在这个应用中，Vs管脚和电流传感器的高端电路将在地或接近接地与正直流母线之间摆动，因此每次转换时都有dV/dt。在Vs脚转换期间，dV/dt将使PO脚上的输出信号的占空比产生微小的波动。在这种情况下， IR2175输出信号的占空比波动2%(直流母线电压为300V)。下面的表1列出了当dV/dt为正或为负时，在不同的直流母线电压下，IR2171/2和IR2175的典型的占空比的波动情况。表中的结果是在IR AcceleratorTM伺服电机控制设计平台上测得的。

　　在电机驱动电路的例子中，这将被转换成电机的转矩波动，对此，我们应该引起重视。

表1 IR217X 电流传感器IC的典型的占空比的波动(CMRR)

8. IR2170/1/2/5的比较

下面的表2列出了不同的电流传感器IC功能的区别。

图2 IR217X 电流传感器IC的比较

重要提示： IR2171/IR2172需要进行隔离，因此对于新的设计应该使用IR2175。