設(shè)計目標(biāo)

設(shè)計說明

這款雙向電流檢測解決方案采用一個電流檢測放大器和一個高速雙通道比較器，在輸入電流 (IG1) 升至 100A 以上或降至 -35A 以下時，通過軌到軌輸入共模范圍在比較器輸出端（OUTA 和 OUTB）產(chǎn)生過流 (OC) 警報信號。在此實現(xiàn)方案中，兩個過流警報信號均為高電平有效，因此當(dāng)高于 100A 或低于 -35A 閾值時，比較器輸出變?yōu)楦唠娖健蓚€比較器均執(zhí)行外部遲滯，因此在電流降低 10%（90A 和 -31A）時，比較器輸出會恢復(fù)為邏輯低電平狀態(tài)。當(dāng)下方電路中的分流電阻器 R8 接地時，此電路適用于在高達 INA 的共模電壓范圍內(nèi)進行高側(cè)電流檢測。

設(shè)計說明

1. 選擇具有軌到軌輸入共模范圍的比較器。
2. 選擇電流檢測放大器，該放大器應(yīng)具有低失調(diào)電壓和符合系統(tǒng)要求的共模輸入范圍。

設(shè)計步驟

1. 要確定比較器閾值電壓，首先計算對應(yīng)于所需電流閾值的 INA240A1 輸出電壓。計算取決于 INA240 的增益（A1、A2、A3、A4 分別為 20、50、100、200）、輸入電流 (IG1) 和檢測電阻 (R8)，以及輸入電流為 0 時的基準(zhǔn)電壓 (VREF)。根據(jù) INA240 數(shù)據(jù)表中的第 8.3.2 節(jié)，R8 是 INA240 的差分輸入電壓與最大輸入電流的函數(shù)。鑒于該系統(tǒng)中的輸入電流擺幅高于 100A，通過使 R8 保持較小的值，可以降低 R8 上的功率耗散。
   $\mathrm{INA\_OUT}=\mathrm{VREF}+\mathrm{G}\times \left(\mathrm{INP}-\mathrm{INN}\right)$
   $\mathrm{INP}-\mathrm{INN}=\mathrm{IG}1\times \mathrm{R}8$
   $\mathrm{VREF}=\frac{\left(\mathrm{V}+\right)-0}{2}=\frac{3.3\mathrm{V}}{2}=1.65\mathrm{V}$

   
   使用這些公式和所需的電流閾值，可生成下表：

   說明		IG1	INA-OUT
   VH, CHB	正向過流閾值	100A	1.65V + 20 × (100A × 0.33m?) = 2.31V
   VL, CHB	正向恢復(fù)閾值	90A	1.65V + 20 × (90A × 0.33m?) = 2.244V
   VH, CHA	反向過流閾值	-35A	1.65V + 20 × (-35A × 0.33m?) = 1.419V
   VL, CHA	反向恢復(fù)閾值	-31.5A	1.65V + 20 × (-31.5A × 0.33m?) = 1.4421V

   首先，重點關(guān)注頂部比較器（通道 A），它采用反相比較器配置。當(dāng)反向電流低于 -35A 時，該比較器擺動至邏輯高電平；當(dāng)反向電流恢復(fù)至 -31.5A 時，該比較器返回至邏輯低電平。這些電流電平分別對應(yīng)于 1.419V 和 1.4421V 的電壓電平。

2. 為 R2（電阻分壓器中的底部電阻器）假設(shè)一個值。在該電路中，選擇了 10k? 電阻。
3. 通過分析 INNA = V-_L 和 INNA = V_H 時的電路，根據(jù) V+、V_L、V_H、R₂、R₃ 推導(dǎo)出 R1 的兩個公式：
   ${\mathrm{R}}_1=\left(\frac{{\mathrm{V}}_{+}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{L}}}-1\right)\left(\frac{{\mathrm{R}}_2{\mathrm{R}}_3}{{\mathrm{R}}_2+{\mathrm{R}}_3}\right)$
   ${\mathrm{R}}_1=\frac{{\mathrm{V}}_{+}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{H}}}{{\displaystyle \frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{H}}}{{\mathrm{R}}_2}}-{\displaystyle \frac{{\mathrm{V}}_{+}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{H}}}{{\mathrm{R}}_3}}}$
4. 將這兩個公式設(shè)置為彼此相等，然后求解 R₃。
   $\left(\frac{{\mathrm{V}}_{+}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{H}}}{{\displaystyle \frac{{\mathrm{V}}_{+}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{L}}}}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{H}}\right){{\mathrm{R}}_3}^2+\left(\frac{{\mathrm{V}}_{+}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{H}}}{{\displaystyle \frac{{\mathrm{V}}_{+}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{L}}}}}+{\mathrm{V}}_{+}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{H}}\right){\mathrm{R}}_2{\mathrm{R}}_3=0$
   $\left(\frac{3.3-1.4421}{{\displaystyle \frac{3.3}{1.419}}}-1.4421\right){{\mathrm{R}}_3}^2+\left(\frac{3.3-1.4421}{{\displaystyle \frac{3.3}{1.419}}}+3.3-1.4421\right)\left(10\mathrm{k}\right){\mathrm{R}}_3=0$
   ${\mathrm{R}}_3=0, {\mathrm{R}}_3=804.29\mathrm{k\Omega }$

   最接近的標(biāo)準(zhǔn) 1% 電阻值為 806kΩ。

5. 使用從 3 中推導(dǎo)的兩個公式中的任一個求解 R₁：
   ${\mathrm{R}}_1=\left(\frac{{\mathrm{V}}_{+}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{L}}}-1\right)\left(\frac{{\mathrm{R}}_2{\mathrm{R}}_3}{{\mathrm{R}}_2+{\mathrm{R}}_3}\right)$
   ${\mathrm{R}}_1=\left(\frac{3.3}{1.419}-1\right)\left(\frac{\left(10 \mathrm{k\Omega }\right)\left(806 \mathrm{k\Omega }\right)}{10 \mathrm{k\Omega }+806 \mathrm{k\Omega }}\right)$
   ${\mathrm{R}}_1=13.093\mathrm{k\Omega }$

   最接近的標(biāo)準(zhǔn) 1% 電阻值為 13kΩ。

   下一步重點關(guān)注底部比較器（通道 B），它采用同相配置。當(dāng)正向電流高于 100A 時，該比較器擺動至邏輯高電平；當(dāng)正向電流恢復(fù)至 90A 時，該比較器返回至邏輯低電平。這些電流電平分別對應(yīng)于 2.31V 和 2.244V 的電壓電平。

   

   當(dāng)比較器輸出處于邏輯低電平狀態(tài)和高阻抗?fàn)顟B(tài)（SBOA306 使用開漏比較器）時，采用比較器的高側(cè)電流檢測電路 推導(dǎo)出 V_TH（同相引腳上的電壓）的兩個公式。然后將這些公式設(shè)置為彼此相等，從而生成一個二次方程來求解 R6。由于 TLV3202 是推挽器件，輸出會進入邏輯高電平狀態(tài)而不是高阻抗?fàn)顟B(tài)。因此，上拉電阻值為 0，且 V_PU 為 V₊

6. 重寫二次方程以匹配該電路：
   
   $0={\mathrm{V}}_{+}\times {{\mathrm{R}}_6}^2+\left({\mathrm{V}}_{+}\times {\mathrm{R}}_7+{\mathrm{V}}_{\mathrm{L}}\times \left({\mathrm{R}}_7\right)-{\mathrm{V}}_{\mathrm{H}}\times {\mathrm{R}}_7\right)\times {\mathrm{R}}_6+\left({\mathrm{V}}_{\mathrm{L}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{H}}\right)\times \left({{\mathrm{R}}_7}^2\right)$
   $0=3.3\times {{\mathrm{R}}_6}^2+\left(3.3\times {\mathrm{R}}_7+2.244\times \left({\mathrm{R}}_7\right)-2.31\times {\mathrm{R}}_7\right)\times {\mathrm{R}}_6+\left(2.244-2.31\right)\times \left({{\mathrm{R}}_7}^2\right)$
7. 為 R₇ 選擇一個值。該電阻器決定了比較器的負(fù)載電流，因此其電阻值很大。在該電路中，假設(shè) R₇ 為 200k?。
   $0=3.3\times {{\mathrm{R}}_6}^2+\left(3.3\times 200\mathrm{k}+2.244\times \left(200\mathrm{k}\right)-2.31\times 200\mathrm{k}\right)\times {\mathrm{R}}_6+\left(2.244-2.31\right)\times {\left(200\mathrm{k}\right)}^2$
   ${\mathrm{R}}_6=4.47\mathrm{k\Omega }$

   最接近的標(biāo)準(zhǔn) 1% 電阻值為 4.42k?。

8. 使用 R₆ 計算 V_TH。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{TH}}={\mathrm{V}}_{\mathrm{H}}\times \left(\frac{{\mathrm{R}}_7}{{\mathrm{R}}_6+{\mathrm{R}}_7}\right)=2.31\times \frac{200\mathrm{k}}{4.42\mathrm{k}+200\mathrm{k}}=2.26\mathrm{V}$
9. 為 R₅ 選擇一個值。在該電路中，R₅ 選擇為 10k?。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{TH}}={\mathrm{V}}_{\mathrm{H}}\times \left(\frac{{\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_1+{\mathrm{R}}_2}\right)=9.802\mathrm{V}$
10. 求解 R₄。
    ${\mathrm{R}}_4=\frac{{\mathrm{R}}_5\times ({\mathrm{V}}_{\mathrm{s}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{TH}})}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{TH}}}=\frac{10\mathrm{k}\times (3.3-2.6)}{2.26}= 4.602 \mathrm{k\Omega }$

    最接近的標(biāo)準(zhǔn) 1% 電阻值為 4.64k?。

設(shè)計仿真

瞬態(tài)仿真結(jié)果

以下仿真結(jié)果對 IG1 使用 -70A 至 130A、100Hz 正弦波。

通道 A

通道 B

設(shè)計參考資料

德州儀器 (TI)，SBOMB05 SPICE 文件，電路軟件

設(shè)計特色比較器

設(shè)計特色運算放大器