检流放大器的瞬态过压保护

这篇应用笔记介绍了保护低压电流检测放大器免受瞬态高压冲击的方法。这种情况在汽车电池供电应用中很常见，主要指抛负载情况。


有些电流检测放大器经常受到高压冲击，例如，在汽车中监测电池放电电流的检流放大器，必须能够承受高压抛负载脉冲，这个高压脉冲是当负载与电池断开时产生感应尖峰电压，最终在电机输出端出现一个高压脉冲。如果这个脉冲超过了放大器的共模电压，则必须提供附加的外部电路保护放大器。

图1给出了一个过压保护例子，由齐纳二极管Z1和Z2、电阻R1和R2以及二极管D1组成。MAX4372放大器的共模电压范围为0至28V，足以测量6V至18V范围的汽车电池电压。但是，抛负载电压可能达到35V，而且会持续0.5秒，恰好超过了放大器的30V最大额定输入电压，必须通过外部电路保护放大器。


图1. 该检流放大器带有保护电路(上部电路元件)，适合于共模电压高于30V的应用。

采用不同的输入保护电阻R1和R2 (分别为2kΩ和1kΩ)，可以避免输入失调电压引起的额外误差，能够平衡放大器偏置电流不均衡造成的影响。关于这些电阻的选择，请参考应用笔记3888：“带有输入串联电阻的电流检测放大器的性能”。

齐纳二极管Z1和Z2的标称击穿电压为24V，这两个管子的耗散功率足以在35V峰值抛负载条件(35V抛负载电压减去1kΩ串联电阻R2的24V钳位电压)下承受大约11mA吸电流。

图2是当移走D1时，35V抛负载脉冲下放大器的输出。施加电压为电池标称电压，所要求的输出电压为1V (输入VSENSE = 50mV、增益 = 20)。出现抛负载电压时，齐纳管把输入共模电压钳位在大约24V，放大器输出经过几个短暂的波动后稳定到0V。


图2. 移走二极管D1后，图1电路的工作波形。

虽然标称电压为24V，两个齐纳管因为个体差异和不同的工作电流(Z1工作电流是5.5mA，Z2为11mA)，其击穿电压存在一定的差异。因此，(VZ1 - VZ2)作为差模检测电压会产生一个所不希望的输出瞬变。如果想消除这一瞬态电压，可以在Z1或Z2上串联一个二极管。二极管会在抛负载时使(VZ1 - VZ2)置于正值或负值，在放大器输出端转换成电源摆幅的输出(VCC或GND)，避免输入瞬变时产生随机的输出波动。

图3a所示为二极管与Z1串联时电路的工作情况，放大器输出被置于正电源电压。图3b所示为二极管与Z2串联时的情况，电路迫使放大器输出置于负电源电压。

图3. 图1电路中，D1分别与Z1 (a)、Z2 (b)串联时，电路的工作波形。