設(shè)計目標(biāo)

設(shè)計說明

這是一種單向電流檢測設(shè)計，通常稱為過流保護 (OCP)，可提供過流警報信號以對超過閾值電流的系統(tǒng)斷電。在此特定設(shè)計中，正常工作負載為 10A 至 20A。當(dāng) TPS7H500x-SP 的 FAULT 引腳達到 0.6V 時，該設(shè)計的過流閾值將觸發(fā)。TPS7H500x-SP 是一系列 PWM 控制器，它們提供許多的特性有利于設(shè)計面向太空應(yīng)用的直流/直流轉(zhuǎn)換器拓撲。這些器件具有內(nèi)置遲滯功能，當(dāng)系統(tǒng)中恢復(fù)有效的 PWM 時，器件將保持有效關(guān)斷狀態(tài)，直到該值恢復(fù)到低于 0.5V。完整 TPS7H500x-SP 系列及其各種特性在 TPS7H500x-SP 器件比較表中列出。

為實現(xiàn)預(yù)期結(jié)果，此設(shè)計將用于監(jiān)控初級的 INA901-SP 的輸出衰減到一個精密分壓器，該分壓器在計算得出的過流點觸發(fā)，以根據(jù)系統(tǒng)中產(chǎn)生的熱量優(yōu)化設(shè)計中的誤差。

TPS7H500x-SP 在 4V 至 14V 的 V_IN 下工作，而 INA901-SP 在 2.7V 至 16V 的單電源下工作，從而支持兩個器件均可在相同電源幅度下工作的多個設(shè)計用例。出于本設(shè)計的目的，INA901-SP 由單個 5V 電源軌供電。OCP 可以應(yīng)用于高側(cè)和低側(cè)拓撲。此電路中介紹的設(shè)計是高側(cè)實現(xiàn)方案，共模電壓 (VCM) 表示 5V 至 28V 之間的理想電壓電源。該電路可用于 TPS7H500x-SP 周圍的遙測、運行狀況監(jiān)控和系統(tǒng)診斷等。除了此功能外，此電路還實現(xiàn)了 INA901-SP 耐輻射加固保障 (RHA) 器件，在低劑量率下為 50krad(Si)，也即，在 125°C 下的單粒子閂鎖 (SEL) 抗擾度可達 75MeV-cm²/mg。TPS7H500x-SP 系列器件為 RHA 器件，在低劑量率下為 100krad(Si)，也就是說，在 125°C 下的 SEL 抗擾度也達到 75MeV-cm²/mg。

設(shè)計說明

1. 對于精確過流應(yīng)用，保持電源穩(wěn)定且將噪聲和干擾降至更低至關(guān)重要。為此，請使用去耦電容器 C1 以確保器件電源穩(wěn)定。將去耦電容器盡可能靠近 INA901-SP 的電源引腳放置。
2. 如果電路中需要額外的接地短路保護功能，與輸入引腳串聯(lián)的保險絲可以提供此功能，但請勿使用電阻器達到此目的。在 INA901-SP 的輸入引腳上添加電阻器會從根本上改變放大器的增益。然而，內(nèi)部電阻器的容差會波動高達 30%（這些電阻器會互相匹配，而不是絕對值），因此這種增益變化會因器件而異，不能算是可靠的設(shè)計。

設(shè)計步驟

1. 滿量程范圍：確認(rèn)需要監(jiān)測的條件的負載范圍。就本設(shè)計示例而言，負載范圍定義為 10A 至 20A，所需的過流響應(yīng) (I_TRIP) 發(fā)生在 21A 時。請根據(jù)輸入感應(yīng)電壓允許的最大電流范圍（包括過流值）選擇 R_SHUNT。其他注意事項包括位于測量低端的失調(diào)電壓（包括 CMRR 和 PSRR 產(chǎn)生的影響），以及位于測量高端的分流電阻器中的功耗注意事項。采用 INA901-SP 進行設(shè)計時，為獲得更佳性能，請確保所選分流電阻器的 I_MIN 條件產(chǎn)生 > 20mV 的檢測電壓，以符合 INA901-SP 耐輻射、–15V 至 65V 共模電壓、單向電流分流監(jiān)控器 數(shù)據(jù)表中 V_SENSE 和共模電壓作用下的精度范圍 部分的要求。
2. 增益選項：對于 INA901-SP，只有 20V/V 選項可用，因此對于此設(shè)計，此條件是固定的。
3. 選擇分流電阻器：當(dāng)給定在步驟 1 中定義的設(shè)計條件時，使用以下公式來選擇合適的分流電阻器。電源電壓要降低 200mV，以確保器件滿足擺幅至軌限制。數(shù)值來自于之前定義的使用案例：
   ${\mathrm{R}}_{\mathrm{S}\mathrm{H}\mathrm{U}\mathrm{N}\mathrm{T}}\mathrm{ }\le \mathrm{ }\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{S}\mathrm{W}\mathrm{I}\mathrm{N}\mathrm{G}-\mathrm{R}\mathrm{A}\mathrm{I}\mathrm{L}}}{{\mathrm{I}}_{\mathrm{T}\mathrm{R}\mathrm{I}\mathrm{P}}\times \mathrm{G}\mathrm{A}\mathrm{I}\mathrm{N}}=\frac{4.8\mathrm{V}}{21\mathrm{A}\times 20\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}}=11.43\mathrm{m}\mathrm{\Omega }$

   此處的計算值為 11.43mΩ，從 E 標(biāo)準(zhǔn)制造值的角度來看，這很不方便。因此，為此設(shè)計選擇了 10mΩ 的分流電阻器值，該值對應(yīng)于 4.2V 的計算過流點。然而，在熱約束隨著電阻成比例增加的折衷條件下，設(shè)計為輸出最大值可更好地利用滿量程范圍。以下公式給出了分流電阻器中最壞情況下的功耗：

   ${\mathrm{P}}_{\mathrm{S}\mathrm{H}\mathrm{U}\mathrm{N}\mathrm{T}}=\mathrm{ }{\mathrm{I}}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}^2\times {\mathrm{R}}_{\mathrm{S}\mathrm{H}\mathrm{U}\mathrm{N}\mathrm{T}}={21\mathrm{A}}^2\times 0.01\mathrm{\Omega }=4.4\mathrm{W}$
4. 分流電阻器降額：對于溫度過高的應(yīng)用，必須考慮所選分流電阻器的功率降額。下圖顯示了電阻器的典型功率降額曲線。
   典型分流電阻器降額曲線

   如曲線所示，對于最大額定負載，該分流電阻器能夠處理的最高溫度大概為 105°C。對于 125°C 的應(yīng)用，根據(jù)曲線信息，分流電阻器只能處理原始額定功率的 60%。根據(jù)計算出的最大值，這表明所選分流電阻器的額定功率選擇正確，如以下公式所示。

   ${\mathrm{P}}_{\mathrm{R}\mathrm{E}\mathrm{Q}\mathrm{U}\mathrm{I}\mathrm{R}\mathrm{E}\mathrm{D}}>\frac{{\mathrm{P}}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}{\mathrm{D}\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{g}}=\frac{4.4\mathrm{W}}{0.6}=7.33\mathrm{ }\mathrm{W}$

   這一計算結(jié)果表明，如果這是所選擇的分流電阻器，則需要從該數(shù)據(jù)表中選擇額定功率至少為 7.33W 的產(chǎn)品，以在額定溫度范圍的高端提供分流承受能力。為增強此設(shè)計的穩(wěn)健性，還可以增加額外的裕量。這些數(shù)字并不是所有分流電阻器的標(biāo)準(zhǔn)；這些工作點因電阻器而異。這些數(shù)字還可以包括額外的數(shù)據(jù)點和標(biāo)準(zhǔn)，例如允許擴展范圍的覆蓋物或散熱器。請參閱預(yù)期分流電阻器和設(shè)計的數(shù)據(jù)表，以確保它適合設(shè)計需求。

5. 將過流點移到 TPS7H500x-SP：如步驟 3 中確定的那樣，基于所選分流電阻器的實際過流點為 4.2V。為了實現(xiàn) TPS7H500x-SP 的 FAULT 引腳的用途，過流電壓必須向下衰減至 0.6V。R2 和 R3 之間的一個簡單分壓器可以實現(xiàn)這一點。為 R3 選擇 10kΩ 的值，并為 R2 求解以下等式：
   ${\mathrm{R}}_2=\frac{{\mathrm{R}}_3({\mathrm{V}}_{\mathrm{O}\mathrm{U}\mathrm{T},\mathrm{ }\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}-0.6)}{0.6}=\frac{10\mathrm{k}\mathrm{\Omega }(4.2\mathrm{V}-0.6)}{0.6}=60\mathrm{k}\mathrm{\Omega }$

   通常，計算得出的電阻器值并不是直接與可選的電阻器相對應(yīng)。這里，60kΩ 并不是標(biāo)準(zhǔn)值，最接近的標(biāo)準(zhǔn)值是 59.7kΩ。這種選擇會在 OCP 點上另外增加 0.5% 的誤差，并且需要進行設(shè)計選擇，以確定該誤差是否可接受。某些 60kΩ 選項確實存在，但通常成本更高，因為這些選項不是標(biāo)準(zhǔn)值。出于本設(shè)計的目的，選擇 60kΩ 將以額外的成本為代價。選擇這兩個電阻器時，容差均為 0.1%。如果設(shè)計決策是接受此誤差，請始終向下舍入到最接近的標(biāo)準(zhǔn)值，以避免將過流點設(shè)置為高于預(yù)期目標(biāo)，而可能導(dǎo)致無法在指定點跳閘。

6. 誤差校驗：電流分流監(jiān)控器的一個主要誤差源是偏移量誤差，尤其是在測量值較低時。這還可能包括來自器件的共模抑制 (CMR) 和電源抑制 (PSR) 功能的影響。在測量的較高端，增益誤差通常在測量中占主導(dǎo)地位，由于生成的感測電壓相對于失調(diào)電壓通常較大，因而可將這種影響降至更低。在過流應(yīng)用中，失調(diào)電壓通常不是問題，但如果所做出的設(shè)計決策將過流點設(shè)置在滿量程范圍內(nèi)以用于分流電阻器的熱釋放，那么失調(diào)電壓就會產(chǎn)生影響。下面的公式顯示與電流檢測放大器有關(guān)的所有誤差的一般形式，而下圖顯示了在 5V、12V 和 28V 設(shè)計基礎(chǔ)之上所完成的設(shè)計的總誤差曲線。此處誤差的主要差異是來自共模電壓變化的影響。
   ${\mathrm{e}}_{\mathrm{T}\mathrm{O}\mathrm{T}\mathrm{A)}\mathrm{L}}=\sqrt{{\mathrm{e}}_{\mathrm{V}\mathrm{o}\mathrm{s}}^2+{\mathrm{e}}_{\mathrm{C}\mathrm{M}\mathrm{R}\mathrm{R}}^2+{\mathrm{e}}_{\mathrm{P}\mathrm{S}\mathrm{R}\mathrm{R}}^2+{\mathrm{e}}_{\mathrm{G}\mathrm{A}\mathrm{I}\mathrm{N}}^2+{\mathrm{e}}_{\mathrm{L}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{e}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{i}\mathrm{t}\mathrm{y}}^2+{\mathrm{e}}_{\mathrm{S}\mathrm{h}\mathrm{u}\mathrm{n}\mathrm{t}}^2+{\mathrm{e}}_{\mathrm{B}\mathrm{i}\mathrm{a}\mathrm{s}\mathrm{ }\mathrm{C}\mathrm{u}\mathrm{r}\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{n}\mathrm{t}}^2+{\mathrm{e}}_{\mathrm{o}\mathrm{t}\mathrm{h}\mathrm{e}\mathrm{r}}^2}$
   INA901-SP 不同 VCM 的總輸出誤差

   誤差公式中的另一 部分誤差通常涉及額外的外部因素，例如衰減電阻器的容差。如曲線所示，當(dāng)電壓偏離 12V 數(shù)據(jù)表條件（即 INA901-SP 的標(biāo)稱共模工作點）時，誤差會根據(jù)電路的 VCM 而增加，表現(xiàn)為以輸入為基準(zhǔn)的附加失調(diào)電壓誤差。通過提供更大的電源電壓并將過流點設(shè)計為進一步遠離失調(diào)電壓，可以獲得額外的精度，但這會帶來分流電阻器上熱量增加的挑戰(zhàn)，因為生成的檢測電壓與分流電阻器中產(chǎn)生的熱量成正比。

設(shè)計仿真

INA901-SP TINA-TI 電路仿真設(shè)置

瞬態(tài)仿真和基準(zhǔn)測試結(jié)果

如 INA901 TINA-TI 仿真結(jié)果所示，通過將所需的 4.2V 輸出電壓映射到所需的 0.6V FAULT 觸發(fā)器，設(shè)計得到了確認(rèn)。然后，根據(jù)基準(zhǔn)實施了該設(shè)計。

圖 1 INA901 TINA-TI 仿真結(jié)果

在 INA901-SP 瞬態(tài)響應(yīng)基準(zhǔn)測試中，INA901-SP 的階躍輸入從 60mV_SENSE 更改為 250mV_SENSE，模擬了負載的短路，并檢查輸出響應(yīng)。如曲線所示，從事件開始到 PWM 輸出關(guān)斷的時間大概為 6μs。根據(jù) INA901-SP 的斜升，可以進行插值，以使臨界觸發(fā)和 OUTA 關(guān)斷之間的時間大概為 2μs，這與 TPS7H500x-SP 的預(yù)期性能一致，如 TPS7H500x-SP FAULT 引腳響應(yīng)時間所示。

INA901-SP 瞬態(tài)響應(yīng)基準(zhǔn)測試

圖 2 TPS7H500x-SP FAULT 引腳響應(yīng)時間

設(shè)計參考資料

請觀看“TI 精密實驗室”的電流檢測放大器 系列視頻。

對于不太嚴(yán)苛的輻射環(huán)境，TI 還提供了 INA240-SEP，該器件在 125°C 時的 SEL 抗擾度可達 43MeV-cm²/mg。該器件在 30krad(Si) 的條件下無 ELDRS，并且每個晶圓批次的電離總劑量 (TID) RLAT 高達 20krad(Si)：