原创 【博客大赛】测量高频PWM实时功率的乘法器电路

除了瞬时功率外，平均和RMS功率值也是非常重要的。所有全模拟电路可以实现这些指标的测量。 

对于电机或伺服器这些需要精确监视或调节负载耗散功率的产品来说，可以通过计算负载电压和电流的乘积来测量实际功率。但如果电压电流为高频波时，测量相应的功率并非易事，这就是脉宽调制(PWM)电机所面临的问题。PWM电机驱动使用的控制信号频率通常为数面千赫。一般来说，平均和RMS功率输出比用功率测量电路得到的高频瞬时功率更有用。LT1256增益控制放大器和LTC1968高带宽RMS-DC转换器可从快速变化的电压和电流中获得瞬时及真正的RMS功率。图1至图5列举了用功率电路测量H桥PWM电机驱动器的耗散负载功率。图1为H桥，即四个开关组成的形状像字母H的网络。

图1: 典型H桥方框图

其中包括调节负载电压的两套开关、一个无刷直流电机。方波信号的占空比代表负载上的平均电压，即无刷直流电机的平均电压。因此，改变占空比即可改变电机轴的速度和方向。电机的电流大小随电机轴的机械阻力(电机负载)变化。

LT1995和LT1991精密增益放大器用不同方式测量电机的电压和电流(分别为图1和图3所示)。

图2: LT1995和一对LT1632，直流电机的动态电压范围达±50V。

图3: LT1991测量小感应电阻的电压，共模输入摆动范围达±60V。

尽管共模信号(H桥的电源电压)很大，由于这些放大器具有高共模抑制特性，因此仍可精确测量电压和电流。LT1632逆变器将电压信号衰减至LT1995的输入共模范围内。共同使用LT1632s和LT1995产生的输出电压ΔV是负载电压的0.1倍。

当增益为1时，LT1991共模范围大(±60V)，因此LT1013放大器为LT1991输出提供增益。联合使用LT1991和LT1013则可产生十倍于感应电阻电压的输出电压VI。电压电流部分的增益(分别为0.1倍和10倍)可任意选择以获得简单的数学关系，也可根据需要更改。

LT1991的低通RC网络衰减100kHz(谐波)馈通，进一步提高电路的高频共模抑制。由于电机线圈电感高，限制了电机电流的带宽(带宽限制量与电机型号相关，但不会接近100KHz)，因此滤波时不会损失有用信息。感应电阻小，相应的电流感应电压随之减小，从而可限制电路的动态范围，因此如果必要的话可提高LT1013的增益。当增益较高(大于100)时，需要用更大带宽的变压器替代LT1013。

图4所示为LT1256如何结合分离的电压电流信号产生电路的瞬时功率。

图4: 直流偏置放大器相应音频信号的交流和直流分量

LT1256可采用乘法配置，一个放大器的增益为1.25，另一个的增益－1.25。VC引脚由LT1013的输出控制，可在该范围内线性选择电压增益。LT1790参考电压和LT1013的另一半控制VC引脚的输入范围为±1.25V。LT1256的增益等于VC引脚电压(例如，如果VC引脚的电压为－0.5 V，增益即为－0.5)。换言之，LT1256电路的表达式(参考图1)为:

LT1256OUTPUT = V×I 当－1.25V ≤I≤1.25V时

瞬时功率波形衰减十倍，并输入到LTC1968，这样直流输出与RMS功率成正比(图5)。

图5: LTC1968 RMS-DC转换器的性能高达500kHz，可将图4的瞬时功率波形转变为直流输出。

因为LTC1968需要电压低于1V以确保精确度，因此需要衰减LTC1968电压。电路的总增益为：

PINSTΔV×VI

PRMS (DC) = 0.1×ΔV×VI

RMS输出电压相对电机功率为：

PRMS (DC) = (AV×RSENSE×AV,1013×100) mV/WRMS

这里，

AV,1632 = LT1632的衰减(V/V),

AV,1013 = LT1013增益 (V/V)

RSENSE = 感应电阻值(Ω)

电路带宽和电压额定值

电压测量部分的带宽(LT1632和LT1995)为8.7MHz，100kHz方波输入的保真性好。LT1632的输出摆动限制共模电压(H桥电源电压)低于45V。增大LT1632的衰减还可扩大此范围(用100kΩ电阻替代10kΩ可使衰减提高十倍，这样共模输入范围可达450V)。

电流测量部分(LT1991和LT1013)带宽为10kHz，其范围是由RC低通滤波器(LPF)网络限制。因为直流电机线圈电感大，大共模电压可能会导致100kHz纹波电流，像LT1991，因此选择这一范围以抑制纹波电流。即使是电阻匹配良好的LT1991在100kHz时CMRR也仅为40dB。因此，LPF带宽的选择是在通过实际电流纹波与衰减来自LT1991共模杂散信号两者间权衡。LT1991的输入电压范围将共模电压限制为60V，但可以通过两个输入端的精确匹配分阻网络扩展这一范围。LT1256的VC引脚将LT1013的有用输出范围限制为{{1.25V，这样电机上的电流不超过(0.125×RSENSE)。对大电流情况，需要使用小感应电阻。图6a为功率测量电路的电压、电流和瞬时网络波形。

图6a: PWM驱动占空比为60%的功率测量电路波形、0.1感应电阻和小电机电阻。轨迹1为电压，轨迹2为电流，轨迹3为瞬时功率。

轨迹1(顶端)为通过0.1V/V增益后，电机上的差分电压。轨迹2 (中间)为通过增益1V/A的电机电流。轨迹3(底部)为电机的实际瞬态功耗，增益为0.1V/W。这些功率测量电路波形是相对占空比为60%的PWM驱动、0.1Ω感应电阻和小电机电阻的情况。RMS功耗为5.9mV (590mW)，是通过高阻抗电压计测得的。图6b所示为相同的三种小型，但电机轴的负载(阻抗)增大了。

图6b: 大电机电阻，占空比60%、感应电阻0.1Ω。轨线1是电压。轨线2为电流，轨线3为瞬时功率。

该图对应的是大电阻电机的情况，占空比仍为60%，感应电阻为0.1Ω。同样，轨线1为电压，轨线2为电流，轨线3为瞬态功率。值得注意的是，当负载增大，平均电机电流也相应增大(从绝对意义而言)。用高阻抗电压计测得的RMS功耗为20mV (2瓦)。

毫无疑问，由于电机电流增大，电机平均功耗也随之提高。

电路精确性

功率测量电路的增益精确性取决于LT1256和图4中电阻的精度。LT1256在商用温度范围内(0℃至70℃)最大增益误差为3%。使用0.1%金属薄膜电阻或匹配电阻网络用于电路的增益设置和电压衰减，可使增益误差优于4.5%。

本文介绍的功率测量电路可以测量高频PWM驱动电机或其它任何高频功率测量产品中的功耗。对低频产品，可用LTC1966或LTC1967替代LTC1968。