檢流放大器的瞬態過壓保護

這篇應用筆記介紹了保護低壓電流檢測放大器免受瞬態高壓沖擊的方法。這種情況在汽車電池供電應用中很常見，主要指拋負載情況。


有些電流檢測放大器經常受到高壓沖擊，例如，在汽車中監測電池放電電流的檢流放大器，必須能夠承受高壓拋負載脈沖，這個高壓脈沖是當負載與電池斷開時產生感應尖峰電壓，最終在電機輸出端出現一個高壓脈沖。如果這個脈沖超過了放大器的共模電壓，則必須提供附加的外部電路保護放大器。

圖1給出了一個過壓保護例子，由齊納二極管Z1和Z2、電阻R1和R2以及二極管D1組成。MAX4372放大器的共模電壓范圍為0至28V，足以測量6V至18V范圍的汽車電池電壓。但是，拋負載電壓可能達到35V，而且會持續0.5秒，恰好超過了放大器的30V最大額定輸入電壓，必須通過外部電路保護放大器。


圖1. 該檢流放大器帶有保護電路(上部電路元件)，適合于共模電壓高于30V的應用。

采用不同的輸入保護電阻R1和R2 (分別為2kΩ和1kΩ)，可以避免輸入失調電壓引起的額外誤差，能夠平衡放大器偏置電流不均衡造成的影響。關于這些電阻的選擇，請參考應用筆記3888：“帶有輸入串聯電阻的電流檢測放大器的性能”。

齊納二極管Z1和Z2的標稱擊穿電壓為24V，這兩個管子的耗散功率足以在35V峰值拋負載條件(35V拋負載電壓減去1kΩ串聯電阻R2的24V鉗位電壓)下承受大約11mA吸電流。

圖2是當移走D1時，35V拋負載脈沖下放大器的輸出。施加電壓為電池標稱電壓，所要求的輸出電壓為1V (輸入VSENSE = 50mV、增益 = 20)。出現拋負載電壓時，齊納管把輸入共模電壓鉗位在大約24V，放大器輸出經過幾個短暫的波動后穩定到0V。


圖2. 移走二極管D1后，圖1電路的工作波形。

雖然標稱電壓為24V，兩個齊納管因為個體差異和不同的工作電流(Z1工作電流是5.5mA，Z2為11mA)，其擊穿電壓存在一定的差異。因此，(VZ1 - VZ2)作為差模檢測電壓會產生一個所不希望的輸出瞬變。如果想消除這一瞬態電壓，可以在Z1或Z2上串聯一個二極管。二極管會在拋負載時使(VZ1 - VZ2)置于正值或負值，在放大器輸出端轉換成電源擺幅的輸出(VCC或GND)，避免輸入瞬變時產生隨機的輸出波動。

圖3a所示為二極管與Z1串聯時電路的工作情況，放大器輸出被置于正電源電壓。圖3b所示為二極管與Z2串聯時的情況，電路迫使放大器輸出置于負電源電壓。

圖3. 圖1電路中，D1分別與Z1 (a)、Z2 (b)串聯時，電路的工作波形。