設計目標

設計說明

此單電源低側電流檢測方法可以準確地檢測最大為 1A 的負載電流，并將其轉換為 50mV 至 4.9V 的電壓。可以根據需要調節輸入電流范圍和輸出電壓范圍，并且可以使用更大的電源來適應更大的擺幅。

設計說明

1. 運算放大器工作在線性輸出范圍內，這個參數通常在芯片手冊的測試條件中給出。
2. 共模電壓等于輸入電壓。
3. 分流電阻器和反饋電阻器的容差將決定電路的增益誤差。
4. 避免將容性負載直接放置在放大器的輸出端，以更大限度地減少穩定性問題。
5. 如果嘗試使用可擺動至 GND 的輸出擺幅檢測零電流，可在此設計中使用負電荷泵（如 LM7705）作為負電源，以保持接近 0V 的輸出信號的線性。有關更多信息，請參閱具有輸出擺幅至 GND 電路的單電源低側單向電流檢測解決方案 模擬工程師電路。
6. 使用高電阻值電阻器可能會減小電路的相位裕度并在電路中產生額外的噪聲。
7. 此電路的小信號帶寬取決于電路的增益和放大器的增益帶寬積 (GBP)。
8. 可以通過添加一個與 R₃ 并聯的電容器來完成濾波。如果使用了高阻值電阻器，那么添加一個與 R₃ 并聯的電容器將提高電路的穩定性。
9. 有關運算放大器線性運行區域、穩定性、容性負載驅動、驅動 ADC 和帶寬的更多信息，請參閱“設計參考文獻”部分。

設計步驟

下面給出了該電路的傳遞函數。

1. 定義滿量程分流電壓并計算最大分流電阻。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{iMax}}=\text{250 }\mathrm{mV} \mathrm{at} {\mathrm{I}}_{\mathrm{iMax}}=\text{1 }\mathrm{A}$
   ${\mathrm{R}}_1=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{iMax}}}{{\mathrm{I}}_{\mathrm{iMax}}}=\frac{\text{250 }\mathrm{mV}}{\text{1 }\mathrm{A}}=\text{250 }\mathrm{m}?$
2. 計算最大線性輸出電壓所需的增益。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{iMax}}=\text{250 }\mathrm{mV} \mathrm{and} {\mathrm{V}}_{\mathrm{oMax}}=\text{4.9 }\mathrm{V}$
   $\text{Gain}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{oMax}}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{iM}ax}}=\frac{\text{4.9 }\mathrm{V}}{\text{250 }\mathrm{mV}}=\text{19.6 }\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}$
3. 為 R₂ 和 R₃ 選擇標準值。

   在模擬工程師的計算器中，請使用“查找放大器增益”并通過輸入增益比率 19.6 來獲取電阻器值。

   R₂ = 715Ω（0.1% 標準值）

   R₃ = 13.3kΩ（0.1% 標準值）

4. 計算達到輸出擺幅至軌限制前的最小輸入電流。I_iMin 表示可準確檢測到的最小輸入電流。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{oMin}}=\text{50 }\mathrm{mV}; {\mathrm{R}}_1=\text{250 }\mathrm{m}?$
   $\mathrm{ }{\mathrm{V}}_{\mathrm{iMin}}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{oMin}}}{\text{Gain}}=\frac{\text{50 }\mathrm{mV}}{\text{19.6 }\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}}=\text{2.55 }\mathrm{mV}$
   ${\mathrm{I}}_{\mathrm{iMin}}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{iMin}}}{{\mathrm{R}}_1}=\frac{\text{2.55 }\mathrm{mV}}{\text{250 }\mathrm{m}?}=\text{10.2 }\mathrm{mA}$
5. 計算滿量程范圍誤差和相對誤差。V_os 是數據表中的典型失調電壓。
   ${\mathrm{FSR}}_{\mathrm{error}}=\left(\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{os}}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{iMax}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{iMin}}}\right)\times 100=\left(\frac{\text{0.3 }\mathrm{mV}}{\text{247.45 }\mathrm{mV}}\right)\times 100=\text{0.121 }\%$
   ${\text{Relative Error at I}}_{\text{iMax}}=\mathrm{ }\left(\frac{{\text{V}}_{os}}{{\text{V}}_{\text{iMax}}}\right)\text{×100}=\mathrm{ }\left(\frac{\text{0.3 }\mathrm{mV}}{\text{250 }\mathrm{mV}}\right)\text{×100}=\text{0.12 }\%$
   ${\text{Relative Error at I}}_{\text{iMin}}=\mathrm{ }\left(\frac{{\text{V}}_{\text{os}}}{{\text{V}}_{\text{iMin}}}\right)\text{×100}=\mathrm{ }\left(\frac{\text{0.3 }\mathrm{mV}}{\text{2.5 m}\mathrm{V}}\right)\text{×100}=\text{12 }\%$
6. 為了保持足夠的相位裕度，應確認器件的增益設置電阻器和輸入電容生成的零點大于電路的帶寬
   $\frac{\text{1}}{{\text{2×π×(C}}_{\text{cm}}{\text{+C}}_{\text{diff}}){\text{×(R}}_{\text{2}}{\text{||R}}_{\text{3}}\text{)}}\text{> }\frac{\text{GBP}}{\text{G}}$
   $\frac{\text{1}}{\text{2×π×(3pF+3pF)×}\left(\frac{\text{715 ?×13.3} \text{k?}}{\text{715 ?+13.3 k?}}\right)}\text{>}\mathrm{ }\frac{\text{10 }\mathrm{MHz}}{\text{19.6 }{\displaystyle \frac{V}{V}}}=\text{39.1 }\mathrm{MHz}\text{ > 510 }\mathrm{kHz}$

設計仿真

直流仿真結果

交流仿真結果

參考資料

德州儀器 (TI)，單電源低側單向電流檢測電路仿真，SBOC523 SPICE 仿真文件

德州儀器 (TI)，0A-1A 單電源低側電流檢測解決方案，TIPD129 參考設計

德州儀器 (TI)，適用于 10μA 至 10mA 低側單電源的電流檢測參考設計，TIPD104 參考設計

德州儀器 (TI)，具有輸出擺幅至 GND 電路的單電源低側單向電流檢測解決方案，模擬工程師電路

設計特色運算放大器

設計備選運算放大器

對于先前所述的原始設計目標以外的電池供電或功率敏感型設計，需要降低系統總功耗。