由于具有高可靠性、高精度的特性，旋轉(zhuǎn)變壓器廣泛用于電機(jī)速度和位置的檢測(cè)。其應(yīng)用包括汽車(chē)領(lǐng)域的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)（HEV）牽引逆變器、電動(dòng)汽車(chē)（EV）、電動(dòng)動(dòng)力轉(zhuǎn)向，以及工業(yè)應(yīng)用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)和伺服機(jī)構(gòu)。

在實(shí)際應(yīng)用中，旋轉(zhuǎn)變壓器對(duì)驅(qū)動(dòng)電路有一些特殊的要求，需要有相當(dāng)?shù)?a href="http://m.xsypw.cn/tags/電流/" target="_blank">電流輸出能力和高壓擺率才能正常驅(qū)動(dòng)，同時(shí)也面臨簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)和提高系統(tǒng)魯棒性的難題。

本期內(nèi)容

本期視頻主要介紹了納芯微專(zhuān)為旋轉(zhuǎn)變壓器驅(qū)動(dòng)電路而開(kāi)發(fā)，旨在簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)并提高系統(tǒng)魯棒性的NSOPA240x系列運(yùn)算放大器。文章從旋轉(zhuǎn)變壓器系統(tǒng)及其驅(qū)動(dòng)電路的要求入手，介紹了NSOPA240x系列放大器的特性，并通過(guò)典型性能指標(biāo)展示了該系列放大器在旋轉(zhuǎn)變壓器驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。

旋轉(zhuǎn)變壓器對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求

旋轉(zhuǎn)變壓器是一種電磁式傳感器，用來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)軸角位移和角速度。它由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子繞組作為變壓器的原邊接受勵(lì)磁電壓，轉(zhuǎn)子繞組作為變壓器的副邊，通過(guò)電磁耦合得到感應(yīng)電壓。通常副邊使用兩個(gè)互成90°的繞組線圈，當(dāng)用正弦激勵(lì)原邊時(shí)，在副邊上就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的感應(yīng)信號(hào)，信號(hào)大小與相對(duì)于定子的轉(zhuǎn)子位置成相應(yīng)函數(shù)關(guān)系。

由于次級(jí)繞組的機(jī)械位置相差90°，兩路正弦輸出信號(hào)彼此之間也相差90°。當(dāng)原邊線圈處在不同的角位移或正在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，兩個(gè)副邊的輸出電壓也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。因此，可以根據(jù)兩組輸出的信號(hào)計(jì)算出轉(zhuǎn)子當(dāng)前的角度和角速度。

下表列舉出了旋轉(zhuǎn)變壓器驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的典型電性參數(shù)。輸入電壓是加載在原邊的激勵(lì)電壓。一般來(lái)說(shuō)，為了獲得足夠幅值的感應(yīng)信號(hào)，相應(yīng)的勵(lì)磁信號(hào)幅值往往會(huì)很大，一般要求電壓有效值在3～7Vrms。同時(shí)采用正弦波激勵(lì)，頻率在幾十到幾十kHz不等。

旋轉(zhuǎn)變壓器系統(tǒng)

以下將用一個(gè)實(shí)際例子進(jìn)一步說(shuō)明旋轉(zhuǎn)變壓器的驅(qū)動(dòng)要求。由于旋轉(zhuǎn)變壓器的本質(zhì)是一個(gè)變壓器，所以其阻抗一般可以抽象為直流電阻和感抗的串聯(lián)。在勵(lì)磁信號(hào)一般為10kHz時(shí)，其整體阻抗在百歐姆量級(jí)，這使得原邊的勵(lì)磁電流相應(yīng)較大，峰峰值往往會(huì)到正負(fù)100mA、200mA，甚至更高，因此需要有相當(dāng)?shù)碾娏鬏敵瞿芰Σ拍苷ｒ?qū)動(dòng)。

典型的驅(qū)動(dòng)電路如下圖所示，一般采用推挽方式來(lái)獲得最大的輸出信號(hào)。同時(shí)，為了得到更好的精度和線性度，應(yīng)用中還需要具備較高的壓擺率。對(duì)于10kHz頻率和7Vrms，需要最低0.6V/μs的壓擺率。傳統(tǒng)的解決方案是利用分立式三極管搭建Class-AB輸出，BOM復(fù)雜且可靠性低，在成本及性能方面均不能令人滿(mǎn)意。

旋轉(zhuǎn)變壓器的驅(qū)動(dòng)要求

NSOPA240x運(yùn)放解決驅(qū)動(dòng)難題

針對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器驅(qū)動(dòng)痛點(diǎn)，納芯微開(kāi)發(fā)了汽車(chē)級(jí)的運(yùn)算放大器NSOPA240x系列，可以在簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)的同時(shí)提高系統(tǒng)魯棒性。

首先，NSOPA240x系列滿(mǎn)足AECQ100 Grade 1認(rèn)證要求，支持高達(dá)36V供電和400mA持續(xù)電流輸出，同時(shí)滿(mǎn)足各類(lèi)旋轉(zhuǎn)變壓器的驅(qū)動(dòng)需求，在輸出大電流時(shí)仍能保持優(yōu)異的輸出擺幅，最大程度降低自身功率耗散。

7.5MHz增益帶寬積和5.5V/μs壓擺率可保證驅(qū)動(dòng)大幅值交流信號(hào)時(shí)不出現(xiàn)失真。另外，這款運(yùn)放內(nèi)置了RF/EMI濾波器，可以在逆變器等復(fù)雜噪聲環(huán)境中更好地工作。該產(chǎn)品還集成了過(guò)溫關(guān)斷和限流保護(hù)功能，可大大減少工程師的系統(tǒng)BOM，提高系統(tǒng)的可靠性。

NSOPA240x系列同時(shí)支持雙通道和單通道，分別采用帶散熱焊盤(pán)的HTSSOP14和TO252封裝，兼顧了小體積和低熱阻。

NSOPA240x運(yùn)算放大器概述

在NSOPA240x系列中，NSOPA2402具備限流功能，在發(fā)生過(guò)載或短路時(shí)，可以對(duì)輸出電流進(jìn)行鉗位，且配備了兩個(gè)專(zhuān)用引腳（如下圖紅框所示），可用來(lái)區(qū)分上管過(guò)流或下管過(guò)流，分別對(duì)應(yīng)短路到地和短路到供電電壓的應(yīng)用場(chǎng)景。當(dāng)輸出電流回到正常值時(shí)，將同步釋放指示引腳，使系統(tǒng)輕松應(yīng)對(duì)類(lèi)似ISO16750標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的短路測(cè)試場(chǎng)景。

HS/LS過(guò)流報(bào)警

NSOPA2402還配置了過(guò)溫關(guān)斷功能，當(dāng)芯片結(jié)溫高于173℃關(guān)斷閾值時(shí)，芯片將進(jìn)入過(guò)溫關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)運(yùn)放停止工作，輸出變?yōu)楦咦钁B(tài)，停止輸出電流。另外，芯片還有一個(gè)專(zhuān)用指示引腳以下拉至0電平，表明發(fā)生了過(guò)溫事件。過(guò)溫關(guān)斷功能具有溫度滯回能力，當(dāng)結(jié)溫下降至155℃時(shí)，運(yùn)放重新進(jìn)入正常工作狀態(tài)，過(guò)溫關(guān)斷指示引腳同步釋放。

下圖右側(cè)是一個(gè)典型例子，當(dāng)發(fā)生過(guò)載或短路時(shí)，芯片功率耗散高于設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致結(jié)溫迅速上升，超過(guò)175℃時(shí)芯片關(guān)斷，冷卻后重新恢復(fù)工作。以此類(lèi)推，亦即進(jìn)入所謂的打嗝模式，可以有效地防止芯片在異常工況下過(guò)熱損壞。

超溫停機(jī)功能

NSOPA240x運(yùn)放的典型特性

最后介紹NSOPA240x運(yùn)放的主要性能和特性，在線性驅(qū)動(dòng)重負(fù)載條件下，驅(qū)動(dòng)能力是主要的衡量指標(biāo)。

下圖中間兩張圖是NSOPA240x運(yùn)放輸出電壓擺幅與輸出電流的關(guān)系，可以看到，輸出電流越高，輸出擺幅越低。同時(shí)，它也與環(huán)境溫度密切相關(guān)，溫度越高，擺幅越小。

在最?lèi)毫拥墓r下，125℃環(huán)境溫度輸出電流為200mA的條件下，壓降只有0.5V。這意味著，電源電壓只要高于擺幅電壓0.5V，器件就可以正常工作。帶來(lái)的好處是，可以明顯減小芯片自身功率耗散，降低系統(tǒng)散熱的需求。

旋轉(zhuǎn)變壓器驅(qū)動(dòng)的另一個(gè)重點(diǎn)是交流帶寬，右上角的圖描述的是，在全溫度范圍內(nèi)，運(yùn)放可驅(qū)動(dòng)100Ω負(fù)載，增益為-10時(shí)，閉環(huán)帶寬高于100kHz，遠(yuǎn)高于常見(jiàn)旋變激勵(lì)信號(hào)10倍以上。從右下角的最大輸出電壓與頻率的關(guān)系可以看出，該運(yùn)放的大信號(hào)帶寬高于100kHz。

NSOPA240x典型性能指標(biāo)

結(jié)語(yǔ)

旋轉(zhuǎn)變壓器廣泛應(yīng)用于汽車(chē)和工業(yè)應(yīng)用中的電機(jī)速度和位置的檢測(cè)。然而，旋轉(zhuǎn)變壓器的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)往往面臨諸多挑戰(zhàn)，如需要大電流輸出、高壓擺率等。

傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)不僅BOM復(fù)雜，可靠性低，且在成本和性能方面都不能滿(mǎn)足現(xiàn)代應(yīng)用的需求。為了解決這一問(wèn)題，納芯微推出了專(zhuān)為旋轉(zhuǎn)變壓器驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的NSOPA240x系列運(yùn)算放大器。

該產(chǎn)品具備出色的電流輸出能力和大信號(hào)帶寬，能夠輕松應(yīng)對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器驅(qū)動(dòng)的高要求。同時(shí)，該系列放大器還集成了過(guò)溫和過(guò)流保護(hù)功能，提高了系統(tǒng)的魯棒性。此外，NSOPA240x系列還支持雙通道和單通道，封裝形式靈活，兼顧了小體積和低熱阻。

目前，納芯微還提供了NSOPA240x系列的樣片和評(píng)估板，為旋轉(zhuǎn)變壓器的廣泛應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的支持。