摘 要：本文介紹了一種專門適用于電機驅動電流檢測的光耦隔離運放HCPL-7800的結構和特點，并重點介紹了此隔離運放的應用。
關鍵詞：隔離運放，電流采樣
Abstract: This paper introduces the construction and the characteristics of HCPL-7800.This isolation amplifier was designed for current sensing in electronic motor drives. The key is to introduce the application of this isolation amplifier.
Keywords: isolation amplifier, current sensing
1. 概述
HCPL-7800隔離運放是專門為電機驅動電流的檢測設計的。電機電流通過一個外部采樣
電阻得到模擬電壓，進入芯片。在隔離側的另一邊得到一個微分的輸出電壓。這個微分的輸出電壓正比與電機電流，通過一個光耦放大器轉換成單端信號。由于在現代開關逆變器電機驅動中電壓的共模干擾一般都有幾百伏每微秒，而HCPL-7800能夠抗至少10kv/us的共模干擾。正是基于這一點,HCPL- 7800隔離運放為在很嘈雜的環境中，電機電流的檢測提供了更高的準確性和穩定性，也為各種各樣的電機控制提供了平滑控制的可能。它也能被用于在嚴重的噪聲干擾的環境中需要很高的準確性，穩定性和線性的的模擬信號的隔離。HCPL-7800的增益為+/-3%，HCPL-7800（A）適用于比較精確的場合，因為它的增益為+/-1%，它應用了先進的（Σ-Δ）的模數轉換技術，斬波放大器和全微分電路拓撲。它的具體的原理圖如圖1所示：
圖1 HCPL-7800的結構簡圖
HCPL-7800（A）隔離運放廣泛應用于電機的相電流檢測，逆變器的電流檢測，開關電源的脈沖信號的隔離，一般的電流檢測和監測，一般的模擬信號的隔離等方面。跟LEM比較，它更加適用于電機電流的檢測，抗共模抑制比的能力較強，同時具有很高的性價比。
2. 典型應用
圖2是HCPL-7800對電機電流采樣的應用電路，從圖中可以看出HCPL-7800（A）的電源
一般都從功率開關器件的門極驅動電路的電源中獲得。旁路電容C1,C2盡可能地靠近HCPL-7800的管腿。旁路電容是必要的因為HCPL- 7800內部的高速的數字信號的特點，由于輸入電路的開關電容的本質，在輸入側也要加上旁路電容C3，輸入的旁路電容也形成了濾波器的一部分，用于防止高頻噪聲。
對于采樣電阻的選擇也是本電路中的最重要的部分，電流采樣電阻應該具有很低的阻抗（可以達到最小限度的功率損耗），很低的電感值（最小的di/dt變化引起的電壓尖峰），。對于此電阻的選擇，一般是考慮最小的功率損耗和最大的準確性的折中點。小的采樣電阻能夠減小功率損耗，而大的采樣電阻能夠用上 HCPL-7800的整個輸入范圍從而提高電路的準確性。
圖2 HCPL-7800的應用電路圖
選擇采樣電阻的第一步是決定電阻的采樣電流的大小，圖3的曲線中，在不同的電機驅動電壓下，電機的相電流和電機的輸出功率之間的關系。采樣電阻的最大值是由檢測到的電流和推薦的輸入電壓的最大值決定，最大采樣電阻的計算一般是用推薦的輸入電壓除以正常工作情況下采樣電阻的峰值電流。
最大的平均功率損耗也很容易得到，如果采樣電阻的功率損耗太高，采樣電阻可以適當減小以此來減小功率損耗。采樣電阻的最小值被設計的準確性和精確性所限制，隨著電阻值的減小，采樣電阻上的輸出電壓也減小，這意味著偏移量和噪音在信號的幅度中所占的比重加大，電阻值最終在最大值和最小值之間的何值主要是根據特殊設計的特殊需要。
圖3 電機的輸出功率與電機的相電流和電壓的關系
當采樣電流足夠大時引起采樣電阻明顯的發熱，由于采樣電阻獨立的信號溫升導致電阻溫升系數的非線性。電阻溫漂的變化導致結果的變化。這種影響可以通過減小電阻的溫度阻抗，或者使用低溫漂的電阻。減小電阻的溫度阻抗可以通過以下方法完成，重新布置線路板上采樣電阻的位置，在電路板上用粗線帶走多余的熱量，或者使用散熱片。
對于雙端的電流采樣電阻，隨著電阻值的減小，導線的阻值變得非常明顯。這樣對電阻的準確性有兩個主要的影響。首先采樣電阻的有效電阻變得相對獨立，與導線的長度，彎度，在班子中插入的深度都無關。另一方面，導線一般的制作材料是銅，銅具有很高的溫度系數。
當用四端的采樣電阻，這些影響就會消除，這個四端采樣電阻多于的兩端通過電阻元素本身用卡爾文方式連接起來，這兩端用于監視電阻的電壓。同時另外兩端被用于電流通路，因為是卡爾文連接方式，導線上的任何電壓降都不會對檢測電壓有影響。當為電流采樣電阻布板時，電阻的卡爾文連接點應該在電阻下面，非常靠近HCPL-7800的輸入端，這樣能夠達到最小的連接面積，同時減小檢測信號的磁場干擾的可能性。
對于采樣電阻和HCPL-7800的連接如圖2所示，VIN+連接到采樣電阻的正端，同時VIN-跟GND1短接，功率電源的返回路徑又作為采樣線連到采樣電阻的負端，參考采樣電阻的負邊輸入電路，任何負載電流上產生的暫態噪聲都被視為共模信號，不會干擾采樣電流信號。這個很重要因為很大的電流流過電機驅動，電路線路中內在的寄生電感將產生比正常信號大得多的尖峰和補償。
如果門極驅動電路和電流采樣電路使用的是同一個電源，為了消除潛在的地環的問題，從HCPL-7800的GND1到采樣電阻是門極驅動電流的唯一回路。HCPL-7800電路和門極驅動電路的唯一連接點應該是電源線的正極。
在隔離運放的輸出側，光耦隔離運放的后端應該具有足夠高的準確性，以至不會產生很明顯的偏差或者相對于隔離運放產生的偏差和。一般，隔離運放的極輸入階段相對于JFET，MOSFET輸入階段產生很好的偏差效果。
另外，隔離運放也具有足夠的帶寬和斜率，以至它不會影響整個電路的響應速度。同時運放的后端電路包括C5,C6形成的一個單極低通濾波器，這些電容使運放的后端電路的帶寬被調整與增益無關，同時減小隔離運放產生的輸出噪聲，在電路中可以用許多種運放，包括：MC34082A, TLO32A, TLO52A, TLC277, LF412A.
3. 結束語
HCPL-7800（A）對電機電流的采樣具有獨到的特點，這使它在該領域具有很廣的應用前景。為了達到最好的應用效果，一定要注意一些細節的應用。
參考文獻
1. LEM電壓電流傳感器的介紹
2. Isolation Amplifier HCPL-7800（A） 的技術手冊