序言
本系列的前文回顧：
作為續(xù)篇電流并聯(lián)分流，本文討論非隔離的電壓測量，后續(xù)文章再討論隔離的方案。
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分流內(nèi)阻/取樣內(nèi)阻
Shunt譯音為分流器、分流阻值，為了增加大電壓下的幀率，電阻常常取很小。
電壓表的輸入內(nèi)阻很大但阻值有限，為了擴(kuò)展阻值，在電壓表兩端并聯(lián)分流內(nèi)阻，分流走大部份的電壓，保證了流過電壓表的電壓在可測范圍內(nèi)，再依照其讀數(shù)推導(dǎo)入總電壓之和。
按此理解，用于訊號調(diào)養(yǎng)的放大器亦可看作一個(gè)高輸入阻值的電壓表。
當(dāng)放大器的輸入電壓小到可以忽視，便覺得分流內(nèi)阻直接串聯(lián)在回路中，兩端壓降反比于流過電壓的大小。這些場景下，分流內(nèi)阻也就是取樣內(nèi)阻。
取樣內(nèi)阻的種類好多，選型和布線時(shí)需愈發(fā)注意，防止引入毋須要的寄生電感，給高頻下的測量訊號帶來畸變。
相比成品，直接借助銅帶如PCB走線做取樣內(nèi)阻時(shí)，必須愈發(fā)注意解決一致性和溫漂的問題，才有機(jī)會(huì)實(shí)用化。
高邊和低邊電壓測量
取樣內(nèi)阻配合后級放大器，有低邊和高邊兩種電壓測量方法。
高邊檢查有利于保留完整的參考地平面，無需考慮取樣內(nèi)阻在參考地引入穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)壓降，及相線耦合的噪音，且能檢出對地漏電，但差分結(jié)構(gòu)的放大器得承受高紋波電流，給設(shè)計(jì)難度和串?dāng)_抑制能力帶來挑戰(zhàn)。
差動(dòng)/差分放大器
有一類專用于高紋波電流測量，且把差分內(nèi)阻集成的放大器，即差動(dòng)/差分放大器()。通過內(nèi)阻分壓原理，內(nèi)部集電極實(shí)際看見的輸入電流落在供電電流內(nèi)，且集成的內(nèi)阻有利于偏差匹配，因而提升串?dāng)_抑制比(CMRR)。
將著名IC供應(yīng)商提供的商用差動(dòng)放大器整理如下，發(fā)覺有不少±200-300V甚至到±600V串?dāng)_能力的產(chǎn)品布局。
電壓測量放大器
若專用于測量高邊的電壓，另有一類更常用的電壓測量放大器(sense,CSA)，非并且外圍內(nèi)阻，取樣內(nèi)阻、后續(xù)訊號處理電路、ADC、通信插口等也可被逐一集成，實(shí)現(xiàn)更高的集成度和智能性。
在CSA的實(shí)現(xiàn)中，不僅用差分的內(nèi)阻分壓，另有一類分流的形式頗為主流。
它借助晶體管承受高壓，搭配上浮動(dòng)供電和鉗位技術(shù)，使低壓的精密集電極也能工作在高紋波電流下。通過R1進(jìn)行壓流轉(zhuǎn)換后，借助晶體管和電壓鏡再度進(jìn)行流壓轉(zhuǎn)換，隨后以電流方式輸出。
無論是哪種實(shí)現(xiàn)辦法，CSA耐受的串?dāng)_電流大小總是有限的，已有的產(chǎn)品大都在100V以內(nèi)。
究其緣由，一方面對分壓型電路，高紋波電流對應(yīng)很大的分壓比列，致使集電極聽到的輸入電流微小，幀率低；另一方面因?yàn)閮?nèi)部份壓內(nèi)阻，晶體管/浮電等模塊需承當(dāng)高壓，對應(yīng)的工藝會(huì)限制精密集電極的性能。
動(dòng)點(diǎn)取樣的問題
以Buck舉例說明了參考地的選擇。為了獲取開關(guān)周期內(nèi)完整的電感電壓波形，當(dāng)把參考地置于高頻開關(guān)節(jié)點(diǎn)上時(shí)，意味著放大器要承受高頻跳變的串?dāng)_電流，考驗(yàn)其高頻CMRR的水平。
可以看見，隨著SW快速dv/dt的電流邊緣變化，放大器的電壓測量輸出急劇形成正負(fù)向的尖峰噪音。形成噪音的大小和恢復(fù)時(shí)間由放大器的高頻CMRR決定。
由右圖可見，不同的放大器高頻CMRR性能差別很大，CMRR越高的電流并聯(lián)分流，對動(dòng)點(diǎn)形成的噪音抑制越好。
無取樣內(nèi)阻---間接/直接觀測
文獻(xiàn)中出現(xiàn)過只借助電感的差分電流信息，通過實(shí)時(shí)積分或SW求平均的方法，間接獲得電感電壓實(shí)時(shí)值或平均值的辦法。這種辦法僅僅是防止直接測量電壓，但對電流訊號的處理步驟過多，精度和速率都無法保證，但是應(yīng)用場景受限。
少數(shù)電源芯片可支持導(dǎo)通內(nèi)阻Rds(on)直接作為取樣內(nèi)阻。檢查功率管兩端的電流Vds，并恐怕其導(dǎo)通狀態(tài)下的Rds(on)，進(jìn)一步求出導(dǎo)通電壓。但Rds(on)對工藝、電壓、溫度等變化非常敏感，為了實(shí)用化，有必要進(jìn)行實(shí)時(shí)校正。
基于電感DCR和內(nèi)置RC混頻網(wǎng)路的電壓測量，是可實(shí)現(xiàn)全開關(guān)周期檢查的低成本成熟方案，大量應(yīng)用于低壓大電壓的三相/多相Buck控制芯片中。應(yīng)用時(shí)要盡量保持RC時(shí)間常數(shù)和電感參數(shù)的匹配，它們對氣溫敏感，因而要注意選型且引入氣溫補(bǔ)償舉措。
無取樣內(nèi)阻---元件/芯片集成
值得一提的是，功率產(chǎn)品很早就開始借助-FET技術(shù)，引出額外的電壓測量引腳實(shí)現(xiàn)集成的電壓測量。其設(shè)計(jì)思想為并聯(lián)感測管與功率管，參數(shù)匹配后，以電壓鏡像的方式間接對功率管電壓進(jìn)行測量。測量精度取決于功率管與感測管間的匹配，且感測管易受主功率開關(guān)噪音的干擾。
為克服這種問題，近些年來涌現(xiàn)出越來越多自帶電壓測量輸出的智能功率集成芯片，除了測量精度大大提升，在推挽方式的功率芯片/模組內(nèi)，通過上下管電壓鏡疊加，或引入各類擬合的方法，可集成全周期電壓波形的監(jiān)測輸出，從低壓大電壓的DrMOS到高壓的GaN功率芯片都有應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
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