设计目标

设计说明

此单电源低侧电流检测方法可以准确地检测最大为 1A 的负载电流，并将其转换为 50mV 至 4.9V 的电压。可以根据需要调节输入电流范围和输出电压范围，并且可以使用更大的电源来适应更大的摆幅。

设计说明

1. 运算放大器工作在线性输出范围内，这个参数通常在芯片手册的测试条件中给出。
2. 共模电压等于输入电压。
3. 分流电阻器和反馈电阻器的容差将决定电路的增益误差。
4. 避免将容性负载直接放置在放大器的输出端，以更大限度地减少稳定性问题。
5. 如果尝试使用可摆动至 GND 的输出摆幅检测零电流，可在此设计中使用负电荷泵（如 LM7705）作为负电源，以保持接近 0V 的输出信号的线性。有关更多信息，请参阅具有输出摆幅至 GND 电路的单电源低侧单向电流检测解决方案 模拟工程师电路。
6. 使用高电阻值电阻器可能会减小电路的相位裕度并在电路中产生额外的噪声。
7. 此电路的小信号带宽取决于电路的增益和放大器的增益带宽积 (GBP)。
8. 可以通过添加一个与 R₃ 并联的电容器来完成滤波。如果使用了高阻值电阻器，那么添加一个与 R₃ 并联的电容器将提高电路的稳定性。
9. 有关运算放大器线性运行区域、稳定性、容性负载驱动、驱动 ADC 和带宽的更多信息，请参阅“设计参考文献”部分。

设计步骤

下面给出了该电路的传递函数。

1. 定义满量程分流电压并计算最大分流电阻。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{iMax}}=\text{250 }\mathrm{mV} \mathrm{at} {\mathrm{I}}_{\mathrm{iMax}}=\text{1 }\mathrm{A}$
   ${\mathrm{R}}_1=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{iMax}}}{{\mathrm{I}}_{\mathrm{iMax}}}=\frac{\text{250 }\mathrm{mV}}{\text{1 }\mathrm{A}}=\text{250 }\mathrm{m}\Omega$
2. 计算最大线性输出电压所需的增益。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{iMax}}=\text{250 }\mathrm{mV} \mathrm{and} {\mathrm{V}}_{\mathrm{oMax}}=\text{4.9 }\mathrm{V}$
   $\text{Gain}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{oMax}}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{iM}ax}}=\frac{\text{4.9 }\mathrm{V}}{\text{250 }\mathrm{mV}}=\text{19.6 }\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}$
3. 为 R₂ 和 R₃ 选择标准值。

   在模拟工程师的计算器中，请使用“查找放大器增益”并通过输入增益比率 19.6 来获取电阻器值。

   R₂ = 715Ω（0.1% 标准值）

   R₃ = 13.3kΩ（0.1% 标准值）

4. 计算达到输出摆幅至轨限制前的最小输入电流。I_iMin 表示可准确检测到的最小输入电流。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{oMin}}=\text{50 }\mathrm{mV}; {\mathrm{R}}_1=\text{250 }\mathrm{m}\Omega$
   $\mathrm{ }{\mathrm{V}}_{\mathrm{iMin}}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{oMin}}}{\text{Gain}}=\frac{\text{50 }\mathrm{mV}}{\text{19.6 }\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}}=\text{2.55 }\mathrm{mV}$
   ${\mathrm{I}}_{\mathrm{iMin}}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{iMin}}}{{\mathrm{R}}_1}=\frac{\text{2.55 }\mathrm{mV}}{\text{250 }\mathrm{m}\Omega }=\text{10.2 }\mathrm{mA}$
5. 计算满量程范围误差和相对误差。V_os 是数据表中的典型失调电压。
   ${\mathrm{FSR}}_{\mathrm{error}}=\left(\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{os}}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{iMax}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{iMin}}}\right)\times 100=\left(\frac{\text{0.3 }\mathrm{mV}}{\text{247.45 }\mathrm{mV}}\right)\times 100=\text{0.121 }\%$
   ${\text{Relative Error at I}}_{\text{iMax}}=\mathrm{ }\left(\frac{{\text{V}}_{os}}{{\text{V}}_{\text{iMax}}}\right)\text{×100}=\mathrm{ }\left(\frac{\text{0.3 }\mathrm{mV}}{\text{250 }\mathrm{mV}}\right)\text{×100}=\text{0.12 }\%$
   ${\text{Relative Error at I}}_{\text{iMin}}=\mathrm{ }\left(\frac{{\text{V}}_{\text{os}}}{{\text{V}}_{\text{iMin}}}\right)\text{×100}=\mathrm{ }\left(\frac{\text{0.3 }\mathrm{mV}}{\text{2.5 m}\mathrm{V}}\right)\text{×100}=\text{12 }\%$
6. 为了保持足够的相位裕度，应确认器件的增益设置电阻器和输入电容生成的零点大于电路的带宽
   $\frac{\text{1}}{{\text{2×π×(C}}_{\text{cm}}{\text{+C}}_{\text{diff}}){\text{×(R}}_{\text{2}}{\text{||R}}_{\text{3}}\text{)}}\text{> }\frac{\text{GBP}}{\text{G}}$
   $\frac{\text{1}}{\text{2×π×(3pF+3pF)×}\left(\frac{\text{715 Ω×13.3} \text{kΩ}}{\text{715 Ω+13.3 kΩ}}\right)}\text{>}\mathrm{ }\frac{\text{10 }\mathrm{MHz}}{\text{19.6 }{\displaystyle \frac{V}{V}}}=\text{39.1 }\mathrm{MHz}\text{ > 510 }\mathrm{kHz}$

设计仿真

直流仿真结果

交流仿真结果

参考资料

米6体育平台手机版_好二三四 (TI)，单电源低侧单向电流检测电路仿真，SBOC523 SPICE 仿真文件

米6体育平台手机版_好二三四 (TI)，0A-1A 单电源低侧电流检测解决方案，TIPD129 参考设计

米6体育平台手机版_好二三四 (TI)，适用于 10µA 至 10mA 低侧单电源的电流检测参考设计，TIPD104 参考设计

米6体育平台手机版_好二三四 (TI)，具有输出摆幅至 GND 电路的单电源低侧单向电流检测解决方案，模拟工程师电路

设计特色运算放大器

设计备选运算放大器

对于先前所述的原始设计目标以外的电池供电或功率敏感型设计，需要降低系统总功耗。