技术文章—在复杂电流传感器应用中表征系统带宽的方法

简介

以一种受控方式驱动高频率的大电流非常具有挑战性。 即使有合适的设备，由于具体应用具有独特的复杂系统，也可能因负载条件或开关电路时序等问题而无法使外部电流轻松流入。

本文介绍了几种测量和表征系统带宽的方法，其中重点介绍了脉冲响应方法。

Allegro的ACS720是一款高精度和高度集成的电流传感器IC，具有极低的温度传感器漂移，以及双过流故障通道，典型带宽为120 kHz，并具有外部滤波器功能，是验证这些测试方法的完美器件。

ACS720的功能框图如图1所示，其中所突出显示的部分为滤波器电路。 有关更多信息，请参阅Allegro网站ACS720器件数据表。

图1：ACS720框图，突出显示部分为外部滤波器电路。

带宽测量

图2中的框图显示了用于系统带宽测试的标准工作台设置。

网络分析仪向宽带放大器提供控制信号，能够覆盖从10Hz扫描到数百kHz的交流电流。 可使用高带宽精密电流监视器监测输入电流，ACS720的模拟输出则可直接测量。 网络分析仪能够将传感器输出（通道B）与参考感测探头（通道A）进行比较。

使用上升时间估算系统带宽

频率扫描测试对于包含最少开关电路的应用是最实用的一种方法。考虑图3中的简化逆变器原理图，其中显示了Allegro集成电流传感器（CS）的常用传感位置。

图3：简化的三相逆变器原理图。

用于带宽验证的一种解决方案是在观察输出的同时以各种频率在单相电路中开关场效应管。然而，开关频率的宽度调节并不可行，而且参考电流的准确同相测量也可能非常具有挑战性。

第二种解决方案是在单相电路中短接单相高低边，并使用外部电源提供扫描电流。

但是，如电路上大电容器或场效应管上的小负载等其他元件会抑制放大器扫描高频电流的能力。在这种情况下，可以使用替代测试方法：上升时间方法。上升时间定义为系统响应快速输入电流阶跃而从稳态值升高到90％所需的时间。

通过简单地将单相高低边短路，可使图3中的逆变器系统产生快速输入阶跃。这种情况下，允许出现短暂的击穿电流（shoot-through）事件，然后可以测量传感器输出的上升时间，之后可以使用测量的上升时间通过如下等式来近似估算系统的带宽：

等式1：

这里使用截止频率为120 kHz的低通滤波器SPICE模型来说明该方法，如图4所示。

图4：截止频率为120 kHz的低通滤波器SPICE模型。

使用如下等式计算低通滤波器的截止频率大约为120kHz：

等式2：

在VIN输入0至5V的电压阶跃，上升时间为100ns，测得VOUT的上升时间为2.92μs。 模拟结果如图5所示。

图5：120 kHz低通滤波器的脉冲响应。

使用测量的上升时间和带宽近似等式可以确认低通滤波器的带宽：

等式3：

应注意，输入信号的上升时间直接影响系统的响应。这种测试中，建议比较快速的输入上升时间（<1μs）。 应考虑输入上升时间对整体测量的影响。

采用上升时间近似

ACS720数据表内部带宽的典型指标为120 kHz。图6中的待测器件显示了大约128 kHz的带宽。

图6：ACS720的波特图显示幅度和相位相对于正弦输入电流的变化。

使用电流阶跃发生器测量ACS720的上升时间，上升时间<1μs，脉冲和传感器响应如图7所示。

图7：具有0 nF滤波电容的ACS720脉冲响应。

测量ACS720的平均上升时间为2.8μs，可插入带宽近似公式：

等式4：

图7中的上升时间结果与图6中测量的带宽密切相关。虽然通过使用更快的输入阶跃可以进一步改善相关性，但图7中的1μs脉冲足以用于近似。

在ACS720 FILTER引脚上增加一个4.7nF电容可将传感器的截止频率降至18.8kHz。 如图8和图9所示，在增加滤波电容后，频率响应和上升时间得到了重新测试。

图8：ACS720和4.7nF滤波电容的波特图。

图9：采用4.7nF滤波电容的ACS720脉冲响应。

使用测量的上升时间和近似等式，可以确认新的传感器带宽：

等式5：

结论

在系统过于复杂，而不能使用标准测试程序或没有适当的测试设备时，上升时间方法是一种表征系统带宽的有效途径。