正文

今天看到一張TI的一個40V~400V非隔離型的高端電流檢測方案的一個原理框圖，這個圖里，比較有意思的一點就是巧妙的利用了穩壓二極管改變了運算放大器的共模輸入電壓范圍。主要使用了一個OPA333，一個高壓PMOS，還有一個INA226。

01

原理

由于存在負反饋，運算放大器虛短和虛斷成立，由于“虛短”，所以Vp等于Vn。且由于“虛斷”，幾乎沒有電流流進同相輸入端和反相輸入端，所以說Vp=V2成立。又由于“虛短”，所以說Vn=Vp=V2，所以說R1兩端的電壓就等于V1-V2（圖中的Vsense）也就是等于電流采樣電阻Rsense上的電壓。又由于MOS屬于壓控型器件，幾乎不會有電流從柵極流入到電阻R2上，所以說，加在R2上的電壓就等于R2*（Vsense/R1）。由于R2和R1取值相等，所以VR2=Vsense。電流路徑如下所示：

穩壓二極管鉗位，改變共模輸入范圍，這個是比較值得學習借鑒的地方。OPA333的共模輸入范圍是（V-）-0.1V到（V+）+0.1V，比如說如果5V單電源供電的條件下，OPA233能處理的信號電壓范圍是-0.1V~5.1V，所以說如果我們使用5V單電源給OPA333供電的話，是處理不了上圖的電流檢測的，因為上圖的檢測電壓Vsense上的共模電壓實在是太大了。

然而如果在運算放大器供電的地方嵌入一個穩壓二極管，那么OPA333的供電電壓就變了，變為了400V和394.9V。隨之，共模輸入電壓范圍也就改變了，變為了394.8V~400.1V，而這個改變也正恰恰是高端電流檢測所需要的。如下圖：

然后再將這個電流轉化到R2上，給INA226檢測，是很巧妙的設計。

02

選型及PCB設計

那么這個Rz該如何取值呢？Rz的取值和兩個參數相關，第一個是穩壓二極管的Izt（在≥Izt的時候穩壓管的穩壓值才準確）。第二個是運算放大器的靜態電流Iq（因為MOS為壓控型器件，運算放大器幾乎不會提供電流在MOS的Cgs充滿電后）。

TI的設計是這樣的，采用了低功耗的穩壓二極管MMSZ4689T1（為防止電阻上的功耗過大），Izt為50uA，即在50uA的電流下，可以保持穩壓5.1V。

運算放大器OPA333的最大靜態電流Iq為25uA。

所以RZ的取值公式為：

公式計算Rz的取值要小于5.26MΩ，TI取了兩個1.2MΩ的電阻串聯，以減小單顆電阻的功率。

我們看下TI的官方設計原理圖：

關于PMOS的選型，有兩點要考慮。第一點，就是PMOS的耐壓值，肯定是要超過400V的，TI選擇了一顆力特的IXTT16P60P，最大耐壓為600V。

第二點就是MOS的功耗（由于MOS工作在線性區，所以MOS的功耗一定不可小覷），假設流過MOS的電流為8mA，由于MOS兩端的電壓差很大很大，所以功耗會很夸張，所以要選擇大封裝的，并且PCB上做好散熱：

PCB設計需要注意高壓區和低壓區的布局，不要高低壓布局在一起。

采樣電阻部分，走線盡量如下，以便減少走線引入的誤差。

審核編輯：劉清