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

在實際應用中，旋轉變壓器對驅動電路有一些特殊的要求，需要有相當?shù)?a href="http://hljzzgx.com/tags/電流/" target="_blank">電流輸出能力和高壓擺率才能正常驅動，同時也面臨簡化電路設計和提高系統(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變壓器驅動電路而開發(fā)，旨在簡化電路設計并提高系統(tǒng)魯棒性的NSOPA240x系列運算放大器。文章從旋轉變壓器系統(tǒng)及其驅動電路的要求入手，介紹了NSOPA240x系列放大器的特性，并通過典型性能指標展示了該系列放大器在旋轉變壓器驅動應用中的優(yōu)勢。

旋轉變壓器對驅動電路的要求

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

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°。當原邊線圈處在不同的角位移或正在轉動時，兩個副邊的輸出電壓也會產(chǎn)生相應的變化。因此，可以根據(jù)兩組輸出的信號計算出轉子當前的角度和角速度。

下表列舉出了旋轉變壓器驅動應用的典型電性參數(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信號，相應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。

旋轉變壓器系統(tǒng)

以下將用一個實際例子進一步說明旋轉變壓器的驅動要求。由于旋轉變壓器的本質是一個變壓器，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較大，峰峰值往往會到正負100mA、200mA，甚至更高，因此需要有相當?shù)碾娏鬏敵瞿芰Σ拍苷ｒ寗印?/p>

典型的驅動電路如下圖所示，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復雜且可靠性低，在成本及性能方面均不能令人滿意。

旋轉變壓器的驅動要求

NSOPA240x運放解決驅動難題

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

首先，NSOPA240x系列滿足AECQ100 Grade 1認證要求，支持高達36V供電和400mA持續(xù)電流輸出，同時滿足各類旋轉變壓器的驅動需求，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，可以在逆變器等復雜噪聲環(huán)境中更好地工作。該產(chǎn)品還集成了過溫關斷和限流保護功能，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，分別對應短路到地和短路到供電電壓的應用場景。當輸出電流回到正常值時，將同步釋放指示引腳，使系統(tǒng)輕松應對類似ISO16750標準中規(guī)定的短路測試場景。

HS/LS過流報警

NSOPA2402還配置了過溫關斷功能，當芯片結溫高于173℃關斷閾值時，芯片將進入過溫關斷狀態(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。過溫關斷功能具有溫度滯回能力，當結溫下降至155℃時，運放重新進入正常工作狀態(tài)，過溫關斷指示引腳同步釋放。

下圖右側是一個典型例子，當發(fā)生過載或短路時，芯片功率耗散高于設計值，導致結溫迅速上升，超過175℃時芯片關斷，冷卻后重新恢復工作。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，在線性驅動重負載條件下，驅動能力是主要的衡量指標。

下圖中間兩張圖是NSOPA240x運放輸出電壓擺幅與輸出電流的關系，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，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。

旋轉變壓器驅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)，運放可驅動100Ω負載，增益為-10時，閉環(huán)帶寬高于100kHz，遠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系可以看出，該運放的大信號帶寬高于100kHz。

NSOPA240x典型性能指標

結語

旋轉變壓器廣泛應用于汽車和工業(yè)應用中的電機速度和位置的檢測。然而，旋轉變壓器的驅動電路設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)的驅動電路設計不僅BOM復雜，可靠性低，且在成本和性能方面都不能滿足現(xiàn)代應用的需求。為了解決這一問題，納芯微推出了專為旋轉變壓器驅動設計的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，能夠輕松應對旋轉變壓器驅動的高要求。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，為旋轉變壓器的廣泛應用提供了強有力的支持。