400mA、高输出压摆率，纳芯微NSOPA240x系列破解旋转变压器之“难”

作者：纳芯微电子

随着市场对高精度、高性能电机控制技术的不断追求，旋转变压器作为其核心部件之一，其精确测量角度位置和转速的能力显得尤为重要。

然而，旋转变压器驱动电路的特殊要求一直是行业发展的技术瓶颈。为解决这一挑战，纳芯微近日发布了全新的NSOPA240x系列运算放大器，旨在简化电路设计并提高系统鲁棒性，为旋转变压器驱动应用带来创新性的解决方案。



旋转变压器作为一种电磁式传感器，可用来精确测量角度位置和转速，在工业电机控制、伺服器、机器人、电动和混动汽车中的动力系统单元中得到了广泛应用。特别是在电动车辆中，旋转变压器可以为电机控制算法提供精确且稳定的位置信息，这对于确保电动车辆在各种驾驶条件下的理想性能至关重要。通过其独特的工作原理，旋转变压器能够实时准确地反馈转子的角度和速度，使电动车辆的电机控制算法能够精确调整电流输出，实现平稳驾驶和即时响应。此外，旋转变压器具有耐高温、机制简单可靠、尺寸小巧和成本低廉等优势，使其能够适应电动车辆紧凑的设计需求，并降低整体成本。

在实际应用中，旋转变压器驱动电路的设计面临多重挑战。首先，需要满足高电流输出和高压摆率的要求，以确保为旋转变压器提供稳定的激励信号，其次，简化电路设计和提高系统鲁棒性也是工程师们面临的重要问题。此外，复杂的噪声环境和严格的安全性要求也给设计带来了更多困难。

纳芯微NSOPA240x大电流输出运算放大器产品凭借其卓越的高增益带宽和压摆率，以及连续高输出电流驱动功能，满足了旋转变压器初级线圈对低失真和差分高振幅激励的严格要求。更重要的是，NSOPA240x内部集成了热关断和过流保护，不仅优化了电路设计，也降低了系统成本，还显著提高了整体系统的可靠性和性能表现。

NSOPA240x产品系列的车规级别满足AEC-Q100 Grade 1的可靠性要求，可在-40~125℃的严苛环境下胜任工作。不同的通道版本以满足客户不同需求，对应单通道有TO252-5封装，双通道版本有HTSSOP14封装，如下表格所示



大电流输出能力-适应各类旋变原边线圈的驱动

输出电流能力和输出摆幅是衡量功率放大器驱动能力最重要的指标之一，负载电流与输出摆幅之间的关系直接决定在驱动运放上的耗散功率。旋转变压器的励磁原边线圈通常是有很低的DCR (直流电阻)，通常小于100Ω，因此需要有较强的电流输出能力才可以驱动线圈，最高至200mA。NSOPA240x设计为最高400mA持续输出电流能力，完全满足各类旋转变压器驱动要求。

高输出压摆率-保证原边线圈激励信号不失真

压摆率是反应运算放大器动态响应性能的重要性能指标之一，对于正弦信号不失真的最低要求如以下公式所示：



对于不同类型的旋转变压器的来说，对于激励信号的幅度和频率要求都有所不同。以7Vrms，10kHz的激励信号为例，根据上述公式的计算结果，保证不失真所需的最低压摆率为0.6 V/μs左右。NSOPA240x压摆率为5.5 V/μs,，可以满足旋转变压器驱动的大部分应用需求。

集成限流保护，过热保护-提高旋变系统的可靠性，降低复杂性和成本

对于选旋转变压器原边驱动端这种几百mA级别的功率级别，必须具有完善的保护措施，否则就会因为过热等原因对系统产生严重的威胁甚至烧毁。NSOPA240x集成了热关断的保护功能，当芯片结温超过173℃时，器件将被禁用，通过OTF/SH_DN状态指示热关断事件发生。为了防止反复触发，过温关断功能具有温度滞回，结温需要回落到155℃，器件才会被重新使能，OTF/SH_DN引脚状态也随之改变，指示热关断事件停止。

如下图所示，NSOPA240x可以提供客户系统级功能安全，可以同时指示短路到电源，短路到地。



除此之外，芯片中的每个运放都对PMOS(高侧)和NMOS(低侧)输出晶体管进行限流保护，因为过流可能发现在上管或者下管。且配备了两个专用引脚（如图中红框所示），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。