在電子電路設計中，精確檢測電流是許多應用的關鍵需求。低側雙向電流檢測電路作為一種重要的電流檢測解決方案，能夠在特定范圍內精確檢測負載電流。本文將詳細介紹一種單電源低側雙向電流檢測電路的設計，包括設計目標、電路結構、參數(shù)計算以及電路仿真等方面。

簡介

該單電源低側雙向電流檢測解決方案具備高精度檢測能力，可以精確地檢測 –1A 至 1A 的負載電流。其輸出的線性范圍為 110mV 至 3.19V。低側電流檢測具有獨特的優(yōu)勢，它可以將共模電壓保持在接近于接地值，這使得它在具有高總線電壓的應用中尤為有用。在高總線電壓的系統(tǒng)中，低側檢測能夠有效降低對檢測電路的共模電壓要求，提高檢測的準確性和穩(wěn)定性。

圖 1 低側雙向電流檢測電路示意圖

設計目標

輸入?yún)?shù)

輸入電流的最小值 IiMin=?1A，最大值 IiMax=1A。這確定了檢測電路需要能夠準確測量的電流范圍，是設計電路的重要依據(jù)。

輸出參數(shù)

輸出電壓的最小值 VoMin=110mV，最大值 VoMax=3.19V。輸出的線性范圍決定了檢測電路將輸入電流轉換為輸出電壓的對應關系，是評估電路性能的重要指標。

電源參數(shù)

電源的負電壓 Vee=0V，正電壓 Vcc=3.3V，參考電壓 Vref=1.65V。這些電源參數(shù)為電路提供了穩(wěn)定的工作電壓，是電路正常運行的基礎。

電路設計

根據(jù)設計目標，最終設計的電路結構和參數(shù)如下所示。
在電路設計過程中，有一些重要的注意事項。為了最大程度地降低誤差，需要設置 R3=R1 且 R4=R2。同時，使用精密電阻器可以實現(xiàn)更高的精度，因為電阻的精度直接影響到電流檢測的準確性。此外，低側檢測并非適用于所有應用場景，不應在系統(tǒng)負載無法承受小接地干擾的應用或需要檢測負載短路的應用中使用。

設計計算

傳遞函數(shù)

該電路的傳遞函數(shù)為 Vo=(Ii?Rshunt?R3R4)+Vcc?(R5+R6R6)。這個傳遞函數(shù)描述了輸入電流 Ii 與輸出電壓 Vo 之間的關系，是計算電路參數(shù)的基礎。

最大分流電阻計算

最大分流電阻 Rshunt=IiMaxVshunt=100mΩ。分流電阻的選擇需要根據(jù)輸入電流的最大值和允許的電壓降來確定，以確保電路能夠正常工作。

基準電壓電阻選擇

由于輸入電流范圍是對稱的，因此應將基準設置為中間電源。所以，使 R5 和 R6 的值相等，即 R5=R6=10kΩ。這樣可以確保在輸入電流為零時，輸出電壓處于合適的基準值。

差分放大器增益計算

根據(jù)運算放大器輸出擺幅設置差分放大器。在電源為 3.3V 的情況下，運算放大器輸出可以從 100mV 擺動至 3.2V。差分放大器的增益 Gain=Rshunt?(IiMax?IiMin)VoMax?VoMin=15.5VV，同時 Gain=R1R4=15.5VV。通過這些計算，可以確定電阻 R1 和 R4 的值。

電阻值確定

根據(jù)增益計算結果，可得 R1=R3=1.3kΩ，R2=R4=15.5VV?1.3kΩ=20.15kΩ≈20kΩ。這些電阻值的確定是保證電路性能符合設計目標的關鍵。

電路仿真

為了驗證電路設計的正確性和性能，進行了時域仿真和頻域仿真。

時域仿真

時域仿真結果可以直觀地展示電路在不同時間點對輸入電流的響應。通過觀察輸出電壓隨時間的變化，可以評估電路的動態(tài)性能，如響應速度、穩(wěn)定性等。

圖 17 時域仿真結果

頻域仿真

頻域仿真則可以分析電路在不同頻率下的響應特性，包括增益、帶寬等。這對于評估電路的頻率響應和抗干擾能力非常重要。

圖 18 頻域仿真結果