ZHCA692D december 2016 – april 2023 INA240 , INA240-Q1 , INA253 , INA253-Q1 , INA254 , INA280 , INA280-Q1 , INA281 , INA281-Q1 , INA290 , INA290-Q1 , INA293 , INA293-Q1
1 TI 技術(shù)手冊
半導(dǎo)體行業(yè)一直在尋求技術(shù)改進，從而能夠?qū)崿F(xiàn)功率密度更高的系統(tǒng)。H 橋便是此種電路。如圖 1 中所示，H 橋是由 4 個連接在負載之間的 FET 晶體管組成的簡單電路。當(dāng)需要控制和管理從電源到負載的電流方向時，通常使用 H 橋。如果是高感性負載，通過控制 H 橋，存儲在負載中的能量也能安全地放電到接地。H 橋電路通常用于電機控制、DC/DC 轉(zhuǎn)換器、音頻子系統(tǒng)和 LED 照明控制，從而使系統(tǒng)更安全，更可靠。由硅 FET 晶體管組成的 H 橋通常可實現(xiàn) 95% 以上的效率，而 GaN FET 晶體管允許效率超過 99% 。效率更商的 H 橋與電流檢測放大器相結(jié)合，以監(jiān)控、管理和控制負載電流，從而提升安全性、可靠性并全面提高終端設(shè)備的功效。
圖 1 H 橋電路全 H 橋電路配置和控制
可通過打開和關(guān)閉 FET 來控制 H 橋。脈寬調(diào)制 (PWM) 方案是一種用于創(chuàng)建不同波形以控制電流流動的有效方法。通過控制 PWM 波形的占空比，可有效地控制流入負載的電流。圖 2 所示為具有不同占空比的 PWM 波形。通過調(diào)節(jié) PWM 發(fā)生器的占空比，可精確控制流入負載的輸出電流。
圖 2 H 橋的脈寬調(diào)制方案在使用 PWM 波形控制 H 橋時，必須進行仔細考慮，從而確保電池與接地之間不會發(fā)生直接短路。例如，在圖 1 中，不要同時打開 Q1 和 Q2。這種情況會造成高電流擊穿，從而可能損壞相應(yīng)的電子驅(qū)動電路。表 1 介紹了全 H 橋控制的可能狀態(tài)。
| Q1 | Q2 | Q3 | Q4 | 負載狀態(tài) |
|---|---|---|---|---|
| 打開 | 關(guān)閉 | 關(guān)閉 | 打開 | 電流從 H 橋流向負載 |
| 關(guān)閉 | 打開 | 打開 | 關(guān)閉 | 流入負載的電流方向相反 |
| 關(guān)閉 | 打開 | 關(guān)閉 | 打開 | 為負載向接地放電提供安全路徑 |
| 打開 | 關(guān)閉 | 打開 | 關(guān)閉 | 再循壞電流存儲在負載中 |
| 關(guān)閉 | 打開 | 關(guān)閉 | 打開 | 再循壞電流存儲在負載中 |
| 打開 | 打開 | 關(guān)閉 | 關(guān)閉 | 電池對接地短路 |
| 關(guān)閉 | 關(guān)閉 | 打開 | 打開 | 電池對接地短路 |
| 打開 | 打開 | 打開 | 打開 | 電池對地短路 |
用于電機控制的 H 橋中的電流測量
全 H 橋電機控制中的雙向電流檢測對于監(jiān)控和控制系統(tǒng)的安全性和可靠性至關(guān)重要。精確測量 H 橋中的電流可精確地控制電機的扭矩或在步進電機中精確地設(shè)置位置。
圖 3 描述了 H 橋中常用的高側(cè)、內(nèi)嵌式和低側(cè)電流測量位置。由于電機是高電感型電機，因此 PWM 輸出從低電平到高電平切換期間趨于發(fā)生過沖，而從高電平到低電平切換期間趨于發(fā)生下沖。放大器的過沖和下沖特征對于選擇正確元件非常重要。電流檢測放大器能夠承受過沖和下沖條件、響應(yīng)速度快并且能夠滿足電感系統(tǒng)的嚴苛要求至關(guān)重要。通過向系統(tǒng)提供有價值的電流檢測數(shù)據(jù)，有助于檢測電機或其他電感系統(tǒng)特性的異常，從而防止過早出現(xiàn)故障。
表 2 描述了在 H 橋中的多個位置測量電流的優(yōu)點和缺點。
圖 3 H 橋控制系統(tǒng)中的電流檢測位置| 電流測量 | 優(yōu)點 | 缺點 |
|---|---|---|
| 高側(cè) | 檢測電池的短路負載以進行診斷 | 高壓共模放大器 |
| 內(nèi)嵌 | 直接測量電機電流，低帶寬放大器 | 高 dv/dt 信號。PWM 趨穩(wěn)時間 |
| 低側(cè) | 低成本，低共模電壓 | 無法檢測短路負載 |
INA240 電流檢測放大器可在共模電壓為 –4V 至 80V 下工作。在 H 橋應(yīng)用中，無論測量位置是在高側(cè)、線內(nèi)還是低側(cè)，都可以使用 INA240。低失調(diào)電壓 (25μV) 和低電壓溫漂 (0.25μV/°C) 以及低增益誤差 (0.2%) 和增益漂移 (2.5ppm/°C) 相結(jié)合使其適用于精確測量，而不受系統(tǒng)溫度的影響。除了高性能直流規(guī)格之外，INA240 還設(shè)計用于運行并抑制 dv/dt 瞬態(tài)，從而支持在線內(nèi)測量位置上進行實時負載電流測量。線內(nèi)檢測的系統(tǒng)級優(yōu)勢是通過降低閉環(huán)控制系統(tǒng)對處理功率的要求來實現(xiàn)更高的功率密度。
備選器件建議
INA241 是一款超精密模擬電流檢測放大器。INA241 可用于高壓雙向應(yīng)用，配置有 1MHz 帶寬，從而在 H 橋應(yīng)用內(nèi)提供快速響應(yīng)時間和精密的線內(nèi)測量。INA241 可以在 –5V 至 110V 的共模電壓下測量電流，并能承受 –20V 至 120V 之間的電壓。
INA253 或 INA254 器件是超精密電流檢測放大器，具有集成式低電感、精密 2mΩ 或 400μΩ 分流器，精度為 0.1% 或 0.5%，溫漂小于 15ppm/°C。INA253 限于在 TA = 85°C 時需要 < ±15A 連續(xù)電流的應(yīng)用，而 INA254 限于在 TA = 85°C 時需要 < ±50A 連續(xù)電流的應(yīng)用。INA253 和 INA254 集成式分流器在內(nèi)部通過開爾文連接方式連接到 INA240 放大器。INA253 和 INA254 器件提供了 INA240 放大器的性能優(yōu)勢，并具有精密分流器，可實現(xiàn)小于 0.2% 的未校準總系統(tǒng)增益精度。
INA281 可用于高電壓應(yīng)用，例如電機中的高側(cè)電流檢測。INA281 可在 –4V 至 110V 的共模電壓下測量電流并承受 –20V 至 120V 的電壓，因此該器件適用于電壓具有負擺幅的各種應(yīng)用。
低側(cè)檢測的一個選項為 INA381，這是一個成本經(jīng)過優(yōu)化的電流檢測放大器，具有集成比較器，用于減小 PCB 占用空間并簡化設(shè)計。