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(多图) 电阻性电源负载的模拟在线电阻监视,第一部分

Carlos Marques?? EDNC编译?? 2015年02月12日 ?? 收藏0
在一些电源控制应用中,基于可靠性或安全性的原因,需要对阻性电源负载的工作状态(健康情况)进行连续的评估。医疗设备(电热垫,电热毛巾和电热毯)中使用的发热电阻就是这种应用的很好例子。为了有效果,评估时应采用连续监视电源负载电阻的方式,并且不能干扰系统的正常工作(在线监视)。监视系统应提供至少一个数字告警信号,该信号需要在阻值超过预设范围时被激活。

带简单的电阻性负载电流监视功能的典型电源控制应用可以如图1所示那样建模,其中忽略了任何感抗现象。在这种集总模型中,U是供电电压;I是电路中的电流;R是电源负载(纯阻性);Rp1、Rp2和Rp3代表所有寄生电阻,建模的是互连走线、连接器和任何可能的机械或电子开关(闭合时)的电阻;Rs是电流检测电阻。设Rp是总的寄生电阻,定义为Rp = Rp1 + Rp2 + Rp3。如果U和Rp是常数,那么I在R改变时才会改变,因为Rs是常数。因此评估R的偏差只需要监视电流即可。然而在大多数情况下,实际的U和Rp不是固定不变的。事实上,即使在常见的恒压PWM电源控制应用中,U也可能因为电源过高的内部阻抗(不良调整)和/或电压容差而偏离期望值。寄生电阻Rp包含导线、连接器和开关的电阻,它们通常会因温度、用途和老化的原因而发生变化。举例来说,如果开关是功率MOSFET实现的,那么由于它具有正温度系数,它的Rds(ON)会随温度的上升而增加。

图1 带简单的阻性负载电流监视功能的典型电源控制应用。
图1 带简单的阻性负载电流监视功能的典型电源控制应用。

很明显,U和Rp的变化将影响基于电流的简单电阻监视方法的精度。为了克服这个问题,可以在计算实际负载电阻(R)的基础上进行电阻监视,方法是测量负载电流和负载电压,然后根据欧姆定律计算它们相除的结果。现在典型的方法是在数字域中做这种除法,它要求至少一个带两个复用输入通道的模数转换器(ADC)和一些处理单元(即微控制器)。这种方法很有吸引力,特别是当系统中已经有微控制器的时候。然而,由于可靠性或安全方面的原因,用软件完成计算任务的这种方法可能行不通,或者根本不可取。

例如在医疗级设备中,标准IEC 60601-1(条款14)规定,如果由可编程系统来确保至关重要的安全性,那么开发周期必须遵循规定的程序,这将使最终系统的开发和随后的认证进一步复杂化。另外一种方法是在模拟域中执行除法操作,方法是使用精密的模拟分压集成电路(IC)。然而,这种IC一般很昂贵,而且不很常见。不过在模拟域中,我们可以利用经典的惠斯通电桥——在低功耗电阻测量中一种很著名的电路。它将是我们讨论的起点。

在展开讨论之前,最好是将R定义为R = Rn(1+δ),其中Rn是R的归一化值,δ是R的相对误差,定义为δ = R/Rn – 1。另外,让我们将阈值点δi 和δs定义为监视系统启动故障条件信号点之外的δ值(分别对应更差和更好)。在图2a)中,惠斯通电桥和比较器用来产生逻辑信号,指示R是大于还是小于某个阈值。很容易表明,这个电阻阈值独立于U,它是这种电桥拓扑的一个特性。在图2 b)中,通过在参考支路和两个比较器中使用一个额外的电阻(R3),可以扩展拓扑,实现阻值窗口比较器。阈值点δi 和δs由R1、R2和R3之间的比值设定,因为它们确定了比较器(Ut1和Ut2)的阈值电压。

图2 惠斯通电桥拓扑。
图2 惠斯通电桥拓扑。

虽然图2 b)所示电路的阈值点独立于U,但它们仍然受电源分支(图1中所示)寄生电阻的影响。另外,比较器的共模和差分输入电压通常很小(R >> Rs)。事实上,期望的差分输入电压范围与比较器的输入偏移电压(IOV)通常是相当的,因此会严重影响监视系统的精度。

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电阻性电源负载? 输入偏移电压? 在线监视? PWM?

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