1 引言

　　高精度大電流控制器有著廣泛的應(yīng)用，但在高共模電壓情況下輸出電流的檢測(cè)電路比較復(fù)雜。ADI公司的AD8205型高端電流傳感器可以簡(jiǎn)化檢測(cè)電路，采用AD8205和UC3842電流型PWM控制電路實(shí)現(xiàn)PWM可調(diào)電流源，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，輸出電流精度高。

　　2 電流檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)

　　在以往的電流監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，電流的檢測(cè)可采用電流互感器、霍爾電流傳感器等隔離型電流傳感器來實(shí)現(xiàn)，這種方法簡(jiǎn)單可靠，但成本高，且傳感器后一般還需要進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，電路設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。另一種方法是用采樣電阻器與負(fù)載串聯(lián)，將負(fù)載電流經(jīng)過采樣電阻器轉(zhuǎn)換成電壓后進(jìn)行放大等處理。由于高共模電壓的存在，負(fù)載電流在采樣電阻器上產(chǎn)生的小差分電壓的高精度測(cè)量比較困難，且檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)很復(fù)雜。因此，如何在高共模電壓情況下進(jìn)行小差分電壓檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)高精度電流源控制的前提。本設(shè)計(jì)采用AD8205型高端電流傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的采樣和調(diào)理。

　　2.1 AD8205簡(jiǎn)介

　　AD8205是ADI公司推出的單電源高性能差分放大器，其共模電壓輸入范圍為-2V-65V，可以承受-5V-+70V的輸入共模電壓，適用于在高共模電壓情況下檢測(cè)小差分電壓的工業(yè)設(shè)備，例如采樣電阻器的端電壓。在許多工業(yè)電流檢測(cè)例如液壓系統(tǒng)和電機(jī)控制系統(tǒng)中可使用這種擴(kuò)展共模電壓范圍的器件。AD8205的工作溫度范圍為-40℃-+125℃，在整個(gè)額定溫度范圍內(nèi)具有優(yōu)良的直流性能，其失調(diào)電壓溫漂小于20μV/℃，增益溫漂小于3×10-5℃（環(huán)境溫度可達(dá)125℃），測(cè)量環(huán)路誤差小，精度高。其固定增益為50，在直流到100kHz的頻帶范圍內(nèi)具有高達(dá)80dB的共模抑制比。AD8025采用8引腳SOIC封裝。

　　2.2 電流檢測(cè)方式

　　2.2.1高端電流傳感器和低端開關(guān)方式

　　如圖1所示，在這種低端開關(guān)方式下，PWM控制開關(guān)的源極接參考地，感性負(fù)載一端連接電源。采樣電阻器放置在負(fù)載和PWM控制開關(guān)之間。當(dāng)PWM開關(guān)閉合時(shí)，采樣電阻器上的共模電壓下降到接近負(fù)向峰值；當(dāng)PWM開關(guān)打開時(shí)，電壓反轉(zhuǎn)后通過感性負(fù)載，采樣電阻器上產(chǎn)生的共模電壓為開關(guān)電源電壓加續(xù)流二極管的正向壓降。采用這種方式的優(yōu)點(diǎn)是：由于采樣電阻置于電源高側(cè)，因而PWM開關(guān)關(guān)閉時(shí)采樣電阻仍然在電流回路中，使得負(fù)載上的全部電流仍然可以監(jiān)測(cè)，另外，這種方式更容易識(shí)別對(duì)地短路故障，可以實(shí)現(xiàn)電路的短路保護(hù)。

　　2.2.2 高側(cè)電流傳感器和高側(cè)開關(guān)方式

　　如圖2所示，這種高端開關(guān)方式中的PWM開關(guān)和采樣電阻器都位于電壓高端，當(dāng)PWM開關(guān)打開時(shí)，負(fù)載電源將移除，這樣將防止發(fā)生電源對(duì)地短路故障，同時(shí)仍然可以提供和監(jiān)測(cè)續(xù)流電流，以實(shí)現(xiàn)電流控制診斷。在工作過程中，大部分時(shí)間內(nèi)電源都和負(fù)載隔離，可將負(fù)載對(duì)地之間的差分電壓引起的不良影響減到最小。當(dāng)PWM開關(guān)閉合時(shí)，電源電壓連接到負(fù)載，這時(shí)共模電壓將上升至電源電壓，因此PWM開關(guān)關(guān)閉時(shí)，電壓將反轉(zhuǎn)并經(jīng)過感性負(fù)載，由于續(xù)流二極管的作用，使得采樣電阻器上的共模電壓保持為低于地的二極管導(dǎo)通壓降。這種結(jié)構(gòu)可以將產(chǎn)生不期望出現(xiàn)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和過電壓的可能性降到最低。

　　3 電流控制的實(shí)現(xiàn)

　　輸出電流的控制可以采用線性功率放大器或開關(guān)（PWM）功率放大器來實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用線性功率放大器實(shí)現(xiàn)的電流控制可以采用高壓功率放大器IC，但是成本高，而且功率放大器的功耗大，效率低。采用PWM功率放大器實(shí)現(xiàn)電流控制有兩種選擇，一種方法是采用PWM功率放大器集成模塊（如美國(guó)Apex Microtechnology公司的SA系列的大功率PWM脈寬調(diào)制放大器），其電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可靠、精度高、易調(diào)試，但成本高。另一種方法是應(yīng)用PWM器件和MOS開關(guān)器件自行設(shè)計(jì)PWM功率放大器，其設(shè)計(jì)成本低，電路較為簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，但精度略低且電磁干擾較嚴(yán)重，不過經(jīng)過精心設(shè)計(jì)和調(diào)試，對(duì)電路板進(jìn)行合理的布局和布線，可以大大提高精度并降低電磁干擾。本設(shè)計(jì)采用UC3842型高性能電流模式PWM控制電路來實(shí)現(xiàn)輸出電流的控制。

　　3.1 UC3842簡(jiǎn)介

　　UC3842高性能固定頻率電流模式PWM控制器，設(shè)計(jì)人員采用很少的外部元件就能實(shí)現(xiàn)高性價(jià)比的解決方案。UC3842內(nèi)部包括能進(jìn)行精確占空比控制的可微調(diào)振蕩器、溫度補(bǔ)償電路、高增益誤差放大器、電流取樣比較器和大電流圖騰柱式輸出，是驅(qū)動(dòng)功率MOSFET的理想器件。其保護(hù)特性包括帶滯后的輸入和參考電壓欠壓鎖定、逐周期電流限制、自動(dòng)前饋補(bǔ)償、可編程輸出靜區(qū)時(shí)間和單個(gè)脈沖測(cè)量鎖存等。UC3842在電流模式下的工作頻率可達(dá)500kHz，有16V通和10V斷的低壓鎖定門限，非常適用于離線轉(zhuǎn)換器。

　　3.2 PWM電流控制器的實(shí)現(xiàn)

　　3.2.1 電路結(jié)構(gòu)

　　采用AD8205型高側(cè)電流傳感器和低側(cè)PWM開關(guān)方式檢測(cè)電流，用UC3842型電流模式PWM控制器控制輸出電流的電路結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

　　3.2.2 工作原理

　　由圖3可知，負(fù)載連接在輸出端口OUT+和OUT-之間，負(fù)載電流由電源VCC經(jīng)過電感器L1、采樣電阻器R15和開關(guān)管Q301（IRF640）提供，二極管D3起續(xù)流和箝位作用，采樣電阻器R15上的電流完全等于負(fù)載上的電流，此電流由AD8205拾取并放大（G=50）。給定電流Ig放大后和由AD8205檢測(cè)調(diào)理后的電壓一起送給U3B（LF412）進(jìn)行比較，U3B構(gòu)成具有小PID環(huán)節(jié)的比較器。經(jīng)過比較后的輸出電壓再由DW1限幅、C3濾波和R8、R9分壓，送到UC3842的電壓反饋誤差放大器輸入端（2腳），控制UC3842的輸出PWM信號(hào)（6腳），從而決定開關(guān)管Q301的通斷時(shí)間，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流的控制。

　　UC3842的8腳、4腳和電阻器R13、電容器C7構(gòu)成振蕩電路，振蕩器的頻率由R13和C7的值決定，電容器C7由5.0V的參考電壓通過電阻器R13充電至約2.8V，再由內(nèi)部電流速放電至1.2V.在C7放電期間，振蕩器產(chǎn)生內(nèi)部消隱脈沖保持“或非”門的中間輸入為高電平，則輸出為低電平。盡管R13和C7的多種組合可以產(chǎn)生相同的振蕩器頻率，但只有一種組合可以得到給定頻率下的特定輸出靜區(qū)時(shí)間。

　　電阻器R8、R9、R10和電容C4構(gòu)成誤差放大器補(bǔ)償電路，用于穩(wěn)定任何電流模式拓?fù)?，?dāng)調(diào)節(jié)器在工作且負(fù)載斷開，或在軟啟動(dòng)過程開始、引腳1的電壓處于最低狀態(tài)時(shí)，保證在輸出端不出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)脈沖。

　　最小誤差放大器反饋電阻受限于放大器的拉電流（0.5mA）和到達(dá)比較器1.0V 箝位電平所需的輸出電壓（VOH），輸出開關(guān)導(dǎo)通由振蕩器開始，當(dāng)峰值電感電流到達(dá)誤差放大器輸出建立的門限電平時(shí)終止。這樣，在逐周期基礎(chǔ)上誤差信號(hào)控制電感電流峰值。

　　輸出串聯(lián)電阻器R14可衰減由MOSFET輸入電容和柵-源電路中的任何串聯(lián)引線所產(chǎn)生的高頻寄生振蕩。電阻器R5、二極管D1、D2及電容器C4構(gòu)成軟啟動(dòng)電路。

　　圖中的U3為L(zhǎng)F412型雙運(yùn)算放大器，其中U3A構(gòu)成同相比例放大器，對(duì)給定電流進(jìn)行調(diào)理；U3B、C1、C2和R6構(gòu)成具有PID特性的比較器，對(duì)給定電流和反饋電流進(jìn)行比較并在上升沿和下降沿進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)更好的動(dòng)態(tài)特性。電容器C9、C10為電源退耦電路，以加強(qiáng)電路的抗干擾能力。

　　4 結(jié)語

　　本文所設(shè)計(jì)的電路結(jié)果簡(jiǎn)單可靠，成本低，經(jīng)過調(diào)試和測(cè)試，完全達(dá)到精度要求，并已成功應(yīng)用到流量、壓力電磁閥的控制中，效果非常理想。但是，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需要根據(jù)控制電流的大小適當(dāng)選擇采樣電阻器R15的阻值（AD8205的電壓增益固定為50）和設(shè)置適當(dāng)?shù)慕o定電流放大倍數(shù)。