探究纳芯微运算放大器如何应对旋转变压器驱动痛点？

时间： 2024-06-21 来源：纳芯微电子公众号

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由于具有高可靠性、高精度的特性，旋转变压器广泛用于电机速度和位置的检测。其应用包括汽车领域的混合动力电动汽车(HEV)牵引逆变器、电动汽车(EV)、电动动力转向，以及工业应用的电机驱动和伺服机构。

在实际应用中，旋转变压器对驱动电路有一些特殊的要求，需要有相当的电流输出能力和高压摆率才能正常驱动，同时也面临简化电路设计和提高系统鲁棒性的难题。

文章从旋转变压器系统及其驱动电路的要求入手，介绍了NSOPA240x系列放大器的特性，并通过典型性能指标展示了该系列放大器在旋转变压器驱动应用中的优势。

旋转变压器对驱动电路的要求

旋转变压器是一种电磁式传感器，用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度。它由定子和转子组成，定子绕组作为变压器的原边接受励磁电压，转子绕组作为变压器的副边，通过电磁耦合得到感应电压。通常副边使用两个互成90°的绕组线圈，当用正弦激励原边时，在副边上就会产生一个相应的感应信号，信号大小与相对于定子的转子位置成相应函数关系。

由于次级绕组的机械位置相差90°，两路正弦输出信号彼此之间也相差90°。当原边线圈处在不同的角位移或正在转动时，两个副边的输出电压也会产生相应的变化。因此，可以根据两组输出的信号计算出转子当前的角度和角速度。

下表列举出了旋转变压器驱动应用的典型电性参数。输入电压是加载在原边的激励电压。一般来说，为了获得足够幅值的感应信号，相应的励磁信号幅值往往会很大，一般要求电压有效值在3～7Vrms。同时采用正弦波激励，频率在几十到几十kHz不等。

以下将用一个实际例子进一步说明旋转变压器的驱动要求。由于旋转变压器的本质是一个变压器，所以其阻抗一般可以抽象为直流电阻和感抗的串联。在励磁信号一般为10kHz时，其整体阻抗在百欧姆量级，这使得原边的励磁电流相应较大，峰峰值往往会到正负100mA、200mA，甚至更高，因此需要有相当的电流输出能力才能正常驱动。

典型的驱动电路如下图所示，一般采用推挽方式来获得最大的输出信号。同时，为了得到更好的精度和线性度，应用中还需要具备较高的压摆率。对于10kHz频率和7Vrms，需要最低0.6V/μs的压摆率。传统的解决方案是利用分立式三极管搭建Class-AB输出，BOM复杂且可靠性低，在成本及性能方面均不能令人满意。

NSOPA240x运放解决驱动难题

针对旋转变压器驱动痛点，纳芯微开发了汽车级的运算放大器NSOPA240x系列，可以在简化电路设计的同时提高系统鲁棒性。

首先，NSOPA240x系列满足AECQ100 Grade 1认证要求，支持高达36V供电和400mA持续电流输出，同时满足各类旋转变压器的驱动需求，在输出大电流时仍能保持优异的输出摆幅，最大程度降低自身功率耗散。

7.5MHz增益带宽积和5.5V/μs压摆率可保证驱动大幅值交流信号时不出现失真。另外，这款运放内置了RF/EMI滤波器，可以在逆变器等复杂噪声环境中更好地工作。该产品还集成了过温关断和限流保护功能，可大大减少工程师的系统BOM，提高系统的可靠性。

NSOPA240x系列同时支持双通道和单通道，分别采用带散热焊盘的HTSSOP14和TO252封装，兼顾了小体积和低热阻。

在NSOPA240x系列中，NSOPA2402具备限流功能，在发生过载或短路时，可以对输出电流进行钳位，且配备了两个专用引脚(如下图红框所示)，可用来区分上管过流或下管过流，分别对应短路到地和短路到供电电压的应用场景。当输出电流回到正常值时，将同步释放指示引脚，使系统轻松应对类似ISO16750标准中规定的短路测试场景。

NSOPA2402还配置了过温关断功能，当芯片结温高于173℃关断阈值时，芯片将进入过温关断状态，此时运放停止工作，输出变为高阻态，停止输出电流。另外，芯片还有一个专用指示引脚以下拉至0电平，表明发生了过温事件。过温关断功能具有温度滞回能力，当结温下降至155℃时，运放重新进入正常工作状态，过温关断指示引脚同步释放。

下图右侧是一个典型例子，当发生过载或短路时，芯片功率耗散高于设计值，导致结温迅速上升，超过175℃时芯片关断，冷却后重新恢复工作。以此类推，亦即进入所谓的打嗝模式，可以有效地防止芯片在异常工况下过热损坏。

NSOPA240x运放的典型特性

最后介绍NSOPA240x运放的主要性能和特性，在线性驱动重负载条件下，驱动能力是主要的衡量指标。

下图中间两张图是NSOPA240x运放输出电压摆幅与输出电流的关系，可以看到，输出电流越高，输出摆幅越低。同时，它也与环境温度密切相关，温度越高，摆幅越小。

在最恶劣的工况下，125℃环境温度输出电流为200mA的条件下，压降只有0.5V。这意味着，电源电压只要高于摆幅电压0.5V，器件就可以正常工作。带来的好处是，可以明显减小芯片自身功率耗散，降低系统散热的需求。

旋转变压器驱动的另一个重点是交流带宽，右上角的图描述的是，在全温度范围内，运放可驱动100Ω负载，增益为-10时，闭环带宽高于100kHz，远高于常见旋变激励信号10倍以上。从右下角的最大输出电压与频率的关系可以看出，该运放的大信号带宽高于100kHz。

结语

旋转变压器广泛应用于汽车和工业应用中的电机速度和位置的检测。然而，旋转变压器的驱动电路设计往往面临诸多挑战，如需要大电流输出、高压摆率等。

传统的驱动电路设计不仅BOM复杂，可靠性低，且在成本和性能方面都不能满足现代应用的需求。为了解决这一问题，纳芯微推出了专为旋转变压器驱动设计的NSOPA240x系列运算放大器。

该产品具备出色的电流输出能力和大信号带宽，能够轻松应对旋转变压器驱动的高要求。同时，该系列放大器还集成了过温和过流保护功能，提高了系统的鲁棒性。此外，NSOPA240x系列还支持双通道和单通道，封装形式灵活，兼顾了小体积和低热阻。

目前，纳芯微还提供了NSOPA240x系列的样片和评估板，为旋转变压器的广泛应用提供了强有力的支持。

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治精微（ZJW）放大器/精密基准源/数模转换器/模数转换器/开关和多路复用器选型指南

描述- 治精微是一家高科技半导体公司，成立于2017年11月，总部设在上海张江，拥有多个研发中心。公司致力于研发、制造、销售高端模拟芯片和混合信号芯片，专注于高端信号链路产品和方案，以产品的高性能、高可靠性和强大技术支持更好的为国家高速发展的工业、汽车、通信与医疗客户服务。公司核心技术和产品打破国际巨大垄断，实现国内技术自主和替代。治精微现已成为全球少有、亚洲唯一的可提供高性能、完整精密信号链芯片解决方案的供应商。

型号- ZJC2103-14,ZJC2103-16,ZJR1003-4A,ZJC2103-18,ZJR1003-4B,ZJA3001-2AUAB,ZJR1003-9,ZJA3001-1BUAB,ZJR1003-5,ZJR1000-5B,ZJR1003-4,ZJR1000-5A,ZJR1003-3,ZJC2100-16,ZJC2542-14,ZJC2100-18,ZJC2542-16,ZJA3000-4AUDB,ZJA3001-2BSAB,ZJA3001-4BSDB,ZJR1003-3A,ZJA3676BUAB,ZJR1003-3B,ZJA3679BSDB,ZJA3001-1ASAB,ZJA3678BUAB,ZJR1000-4B,ZJR1000-4A,ZJC2102-1,ZJR1001-9B,ZJR1001-9A,ZJA3601BUAB,ZJC2105-16,ZJG4438,ZJG4439,ZJC2541-18,ZJR1002-5B,ZJC2105-18,ZJA30004BUDB,ZJA3001-4AUDB,ZJA3001,ZJA3000,ZJA3618BSAB,ZJR1000,ZJR1002,ZJR1002-9,ZJR1001,ZJR1002-3,ZJR1003,ZJA3000-1ASAB,ZJA3000-2AUAB,ZJR1002-5,ZJR1002-4,ZJC2544-18,ZJC2102-18,ZJC2544-16,ZJA3611BSAB,ZJC2544-14,ZJA3619BUAB,ZJR1003-9A,ZJR1003-9B,ZJG4428,ZJG4429,ZJR1002-4A,ZJR1002-4B,ZJC2542,ZJC2541,ZJA3609BSAB,ZJA3000-1BUAB,ZJC2541-14,ZJA3000-2BSAB,ZJC2541-16,ZJA3600BSAB,ZJA3001-2ASAB,ZJC2018,ZJR1002-3A,ZJC2017,ZJA3000-4,ZJR1002-3B,ZJC2015,ZJC2014,ZJC2013,ZJC2012,ZJC2011,ZJA3000-2,ZJC2010,ZJA3000-1,ZJA3620,ZJA3001-1BSAB,ZJA3622,ZJA3628,ZJA3000-4ASDB,ZJA3628ASAE,ZJA3676BSAB,ZJC2102-14,ZJA3001-4BUDB,ZJC2008,ZJC2007,ZJC2102-16,ZJC2005,ZJC2004,ZJC2003,ZJC2002,ZJA3001-2BUAB,ZJC2001,ZJC2000,ZJA3610,ZJR1001-5B,ZJA3611,ZJR1001-5A,ZJA3618,ZJC2543-16,ZJA3678BSAB,ZJC2543-18,ZJA3001-1AUAB,ZJC2543-14,ZJA3619,ZJA3619BSAB,ZJR1002-9A,ZJR1002-9B,ZJC2101-16,ZJA3001-4ASDB,ZJA3001-2,ZJA3610BSAB,ZJA3620ASAE,ZJA3677BSDB,ZJA3001-1,ZJA3601BSAB,ZJR1000-9,ZJR1000-5,ZJA3622ASAE,ZJA3611BUAB,ZJR1000-4,ZJR1001-4B,ZJA3601,ZJR1001-4A,ZJA3600,ZJA3000-1AUAB,ZJA3000-2ASAB,ZJR1000-1,ZJR1000-3,ZJR1000-2,ZJA3609,ZJA3608,ZJA30014,ZJC2104-18,ZJR1003-5A,ZJA3608BSAB,ZJC2542-18,ZJR1003-5B,ZJC2104-16,ZJA3609BUAB,ZJC2100,ZJA3676,ZJR1001-3B,ZJA3000-1BSAB,ZJR1001-3A,ZJA3677,ZJA3000-2BUAB,ZJC2101-18,ZJC2103-1,ZJA3000-4BSDB

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