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H橋功率晶體管拓撲結構正日益成為從單電源電壓來對電動機和其他負載進行雙向驅動的一種常用方法。在大部分場合中，監(jiān)視輸送至負載的電流和實時地利用該信息以提供操作反饋至一個控制系統(tǒng)具有非常大的好處。在大多數(shù)新型設計中，人們往往采用脈寬調制(PWM)方法來提供高效的可變功率輸送，但是，這樣做會使負載的兩端承受極快的電壓瞬變，因而導致儀表問題的復雜化。凌力爾特(Linear)公司推出的新型高壓側電流檢測放大器能簡化該問題。
測量H橋的負載電流
負載監(jiān)視的傳統(tǒng)方法是布設一個與負載相串聯(lián)的小值檢測電阻，該電阻能夠產生一個用于代表負載電流的可測量電壓降(圖1)。這里的難點是：當執(zhí)行PWM操作時，檢測電阻器上的共模電壓具有讓人討厭的電壓瞬變，這些電壓瞬變的高頻雜亂信號會損害檢測放大器的操作性能。雖然可對該雜亂信號進行濾波處理以恢復有用的低頻信息，但是提供快速故障保護的能力將隨之喪失。此外，這種“跨接”檢測電阻器配置還無法監(jiān)視開關貫通電流，從而造成許多重要的故障模式未被檢測出來或處于失控狀態(tài) (例如：開關功能失效)。
圖1：傳統(tǒng)的負載檢測在采用PWM時會產生問題。
監(jiān)視饋送至每個半橋的電源電流是一種實用性強得多的方法(圖2)。該方案提供了簡化和改善電路性能的多項好處。主要的改進是通過使檢測電阻器處于一個相對恒定的共模電壓(即：電源電壓)來實現(xiàn)，這樣就可以保持PWM電流波形的保真度。另外，通過在電源側對每個半橋進行單獨監(jiān)視，便能夠很容易地檢測并可控制功率器件操作失效和負載接地短路。
圖2：與 PWM相兼容的H橋負載檢測。
通過采用可產生“極性-大小”控制功能的PWM邏輯電路，其中一個半橋將處于100%拉高狀態(tài)(取決于驅動的方向或極性)。負載電流與通過100%(完全接通)開關輸送的電流相等，而不受另一個半橋上的PWM 工作占空比所影響。這允許采用合適的高壓側檢測放大 法來實現(xiàn)負載電流波形的簡單重建。
簡單的解決方案
LTC6103和LTC6104雙通道高壓側檢測放大器非常適合于執(zhí)行H橋監(jiān)視功能。這兩款器件均具有兩個電流檢測輸入通道，并提供了兩個單向輸出(LTC6103)或單個雙向輸出(LTC6104)。由于每個電流檢測通道均以單向的方式運作，因此只對來自完全接通的半橋電流進行監(jiān)視。
由于另一個半橋中的電流脈沖方向相反，因此放大器通道保持在一個截止狀態(tài)，而且并不影響讀出操作。這意味著輸出信號僅反映完全接通的半橋電流，該電流與受控負載電流相等。
憑借其快速(微秒級)響應時間，這些器件還提供了過載檢測功能，從而能夠在出現(xiàn)故障條件的情況下向功率器件保護電路發(fā)出指示信號。這兩款器件均采用纖巧型MSOP-8封裝(旨在實現(xiàn)緊湊的電路板布局)，并能夠在高達60V的電源電壓條件下正常運作。由于它們具有70V的瞬變電壓承受能力，因而在苛刻的汽車應用中免除了增設浪涌抑制元件的需要。
LTC6103的雙路輸出可單獨地用來提供過載檢測，和/或被用作一個差分對以向模數(shù)轉換器(ADC)提供一個雙向信號(示例)。圖3給出了一款面向普通H橋應用的典型電路。功率器件可以是互補型MOSFET、純 N溝道MOSFET或其他的開關器件。當橋接器驅動負載時(在所舉的例子中假設是一部電動機)，LTC6103的其中一個輸出將升至地電位以上，而另一個輸出則保持被下拉至地的狀態(tài)，從而形成了一個準確的雙向差分輸出和一個從不降至地電位以下的共模電壓。輸出電阻的選擇(本例中為4.99k)是可以調節(jié)的，以滿足任何ADC的源阻抗要求。
圖 3：LTC6103利用適合ADC的差分輸出來提供雙向H橋監(jiān)視。
作為一種替代方案，LTC6104的輸出結構提供了單個雙向信號。輸出線路既可以向一個負載電阻供應電流，也可以從一個負載電阻吸收電流(取決于哪個輸入通道正在檢測電流)。只要引腳4(V–)的電壓比預期的最低輸出電平至少低0.5V，則負向輸出擺幅就將保持線性。如果負載電阻在引腳4接地的情況下回接至一個合適的基準電壓(圖4)，就能滿足這個條件。如果引腳4被連接至一個合適的負電源(比如：-3V)，則輸出電阻也可以直接回接至地，以形成一個真正的雙極輸出。
圖 4：LTC6104利用單端輸出提供雙向H橋監(jiān)視。
本文小結
如果您擁有了正確的放大器，那么設計一款H橋功率驅動器的負載電流監(jiān)視器就不是件難事。LTC6103 和LTC6104恰好滿足了這一需要。它們具有雙路檢測輸入和兩種不同的輸出配置選項，這些特點降低了復雜性并縮減了PCB面積。
作者：Jon Munson
高級應用工程師
凌力爾特公司
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