由于具有高可靠性、高精度的特性，旋轉(zhuǎn)變壓器廣泛用于電機速度和位置的檢測。其應(yīng)用包括汽車領(lǐng)域的混合動力電動汽車（HEV）牽引逆變器、電動汽車（EV）、電動動力轉(zhuǎn)向，以及工業(yè)應(yīng)用的電機驅(qū)動和伺服機構(gòu)。

在實際應(yīng)用中，旋轉(zhuǎn)變壓器對驅(qū)動電路有一些特殊的要求，需要有相當(dāng)?shù)?a href="http://www.socialnewsupdate.com/tags/電流/" target="_blank">電流輸出能力和高壓擺率才能正常驅(qū)動，同時也面臨簡化電路設(shè)計和提高系統(tǒng)魯棒性的難題。

本期內(nèi)容

本期視頻主要介紹了納芯微專為旋轉(zhuǎn)變壓器驅(qū)動電路而開發(fā)，旨在簡化電路設(shè)計并提高系統(tǒng)魯棒性的NSOPA240x系列運算放大器。文章從旋轉(zhuǎn)變壓器系統(tǒng)及其驅(qū)動電路的要求入手，介紹了NSOPA240x系列放大器的特性，并通過典型性能指標(biāo)展示了該系列放大器在旋轉(zhuǎn)變壓器驅(qū)動應(yīng)用中的優(yōu)勢。

旋轉(zhuǎn)變壓器對驅(qū)動電路的要求

旋轉(zhuǎn)變壓器是一種電磁式傳感器，用來測量旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)軸角位移和角速度。它由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子繞組作為變壓器的原邊接受勵磁電壓，轉(zhuǎn)子繞組作為變壓器的副邊，通過電磁耦合得到感應(yīng)電壓。通常副邊使用兩個互成90°的繞組線圈，當(dāng)用正弦激勵原邊時，在副邊上就會產(chǎn)生一個相應(yīng)的感應(yīng)信號，信號大小與相對于定子的轉(zhuǎn)子位置成相應(yīng)函數(shù)關(guān)系。

由于次級繞組的機械位置相差90°，兩路正弦輸出信號彼此之間也相差90°。當(dāng)原邊線圈處在不同的角位移或正在轉(zhuǎn)動時，兩個副邊的輸出電壓也會產(chǎn)生相應(yīng)的變化。因此，可以根據(jù)兩組輸出的信號計算出轉(zhuǎn)子當(dāng)前的角度和角速度。

下表列舉出了旋轉(zhuǎn)變壓器驅(qū)動應(yīng)用的典型電性參數(shù)。輸入電壓是加載在原邊的激勵電壓。一般來說，為了獲得足夠幅值的感應(yīng)信號，相應(yīng)的勵磁信號幅值往往會很大，一般要求電壓有效值在3～7Vrms。同時采用正弦波激勵，頻率在幾十到幾十kHz不等。

旋轉(zhuǎn)變壓器系統(tǒng)

以下將用一個實際例子進一步說明旋轉(zhuǎn)變壓器的驅(qū)動要求。由于旋轉(zhuǎn)變壓器的本質(zhì)是一個變壓器，所以其阻抗一般可以抽象為直流電阻和感抗的串聯(lián)。在勵磁信號一般為10kHz時，其整體阻抗在百歐姆量級，這使得原邊的勵磁電流相應(yīng)較大，峰峰值往往會到正負(fù)100mA、200mA，甚至更高，因此需要有相當(dāng)?shù)碾娏鬏敵瞿芰Σ拍苷ｒ?qū)動。

典型的驅(qū)動電路如下圖所示，一般采用推挽方式來獲得最大的輸出信號。同時，為了得到更好的精度和線性度，應(yīng)用中還需要具備較高的壓擺率。對于10kHz頻率和7Vrms，需要最低0.6V/μs的壓擺率。傳統(tǒng)的解決方案是利用分立式三極管搭建Class-AB輸出，BOM復(fù)雜且可靠性低，在成本及性能方面均不能令人滿意。

旋轉(zhuǎn)變壓器的驅(qū)動要求

NSOPA240x運放解決驅(qū)動難題

針對旋轉(zhuǎn)變壓器驅(qū)動痛點，納芯微開發(fā)了汽車級的運算放大器NSOPA240x系列，可以在簡化電路設(shè)計的同時提高系統(tǒng)魯棒性。

首先，NSOPA240x系列滿足AECQ100 Grade 1認(rèn)證要求，支持高達(dá)36V供電和400mA持續(xù)電流輸出，同時滿足各類旋轉(zhuǎn)變壓器的驅(qū)動需求，在輸出大電流時仍能保持優(yōu)異的輸出擺幅，最大程度降低自身功率耗散。

7.5MHz增益帶寬積和5.5V/μs壓擺率可保證驅(qū)動大幅值交流信號時不出現(xiàn)失真。另外，這款運放內(nèi)置了RF/EMI濾波器，可以在逆變器等復(fù)雜噪聲環(huán)境中更好地工作。該產(chǎn)品還集成了過溫關(guān)斷和限流保護功能，可大大減少工程師的系統(tǒng)BOM，提高系統(tǒng)的可靠性。

NSOPA240x系列同時支持雙通道和單通道，分別采用帶散熱焊盤的HTSSOP14和TO252封裝，兼顧了小體積和低熱阻。

NSOPA240x運算放大器概述

在NSOPA240x系列中，NSOPA2402具備限流功能，在發(fā)生過載或短路時，可以對輸出電流進行鉗位，且配備了兩個專用引腳（如下圖紅框所示），可用來區(qū)分上管過流或下管過流，分別對應(yīng)短路到地和短路到供電電壓的應(yīng)用場景。當(dāng)輸出電流回到正常值時，將同步釋放指示引腳，使系統(tǒng)輕松應(yīng)對類似ISO16750標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的短路測試場景。

HS/LS過流報警

NSOPA2402還配置了過溫關(guān)斷功能，當(dāng)芯片結(jié)溫高于173℃關(guān)斷閾值時，芯片將進入過溫關(guān)斷狀態(tài)，此時運放停止工作，輸出變?yōu)楦咦钁B(tài)，停止輸出電流。另外，芯片還有一個專用指示引腳以下拉至0電平，表明發(fā)生了過溫事件。過溫關(guān)斷功能具有溫度滯回能力，當(dāng)結(jié)溫下降至155℃時，運放重新進入正常工作狀態(tài)，過溫關(guān)斷指示引腳同步釋放。

下圖右側(cè)是一個典型例子，當(dāng)發(fā)生過載或短路時，芯片功率耗散高于設(shè)計值，導(dǎo)致結(jié)溫迅速上升，超過175℃時芯片關(guān)斷，冷卻后重新恢復(fù)工作。以此類推，亦即進入所謂的打嗝模式，可以有效地防止芯片在異常工況下過熱損壞。

超溫停機功能

NSOPA240x運放的典型特性

最后介紹NSOPA240x運放的主要性能和特性，在線性驅(qū)動重負(fù)載條件下，驅(qū)動能力是主要的衡量指標(biāo)。

下圖中間兩張圖是NSOPA240x運放輸出電壓擺幅與輸出電流的關(guān)系，可以看到，輸出電流越高，輸出擺幅越低。同時，它也與環(huán)境溫度密切相關(guān)，溫度越高，擺幅越小。

在最惡劣的工況下，125℃環(huán)境溫度輸出電流為200mA的條件下，壓降只有0.5V。這意味著，電源電壓只要高于擺幅電壓0.5V，器件就可以正常工作。帶來的好處是，可以明顯減小芯片自身功率耗散，降低系統(tǒng)散熱的需求。

旋轉(zhuǎn)變壓器驅(qū)動的另一個重點是交流帶寬，右上角的圖描述的是，在全溫度范圍內(nèi)，運放可驅(qū)動100Ω負(fù)載，增益為-10時，閉環(huán)帶寬高于100kHz，遠(yuǎn)高于常見旋變激勵信號10倍以上。從右下角的最大輸出電壓與頻率的關(guān)系可以看出，該運放的大信號帶寬高于100kHz。

NSOPA240x典型性能指標(biāo)

結(jié)語

旋轉(zhuǎn)變壓器廣泛應(yīng)用于汽車和工業(yè)應(yīng)用中的電機速度和位置的檢測。然而，旋轉(zhuǎn)變壓器的驅(qū)動電路設(shè)計往往面臨諸多挑戰(zhàn)，如需要大電流輸出、高壓擺率等。

傳統(tǒng)的驅(qū)動電路設(shè)計不僅BOM復(fù)雜，可靠性低，且在成本和性能方面都不能滿足現(xiàn)代應(yīng)用的需求。為了解決這一問題，納芯微推出了專為旋轉(zhuǎn)變壓器驅(qū)動設(shè)計的NSOPA240x系列運算放大器。

該產(chǎn)品具備出色的電流輸出能力和大信號帶寬，能夠輕松應(yīng)對旋轉(zhuǎn)變壓器驅(qū)動的高要求。同時，該系列放大器還集成了過溫和過流保護功能，提高了系統(tǒng)的魯棒性。此外，NSOPA240x系列還支持雙通道和單通道，封裝形式靈活，兼顧了小體積和低熱阻。

目前，納芯微還提供了NSOPA240x系列的樣片和評估板，為旋轉(zhuǎn)變壓器的廣泛應(yīng)用提供了強有力的支持。