设计目标

设计说明

这款双向电流检测解决方案采用一个电流检测放大器和一个高速双通道比较器，在输入电流 (IG1) 升至 100A 以上或降至 -35A 以下时，通过轨到轨输入共模范围在比较器输出端（OUTA 和 OUTB）产生过流 (OC) 警报信号。在此实现方案中，两个过流警报信号均为高电平有效，因此当高于 100A 或低于 -35A 阈值时，比较器输出变为高电平。两个比较器均执行外部迟滞，因此在电流降低 10%（90A 和 -31A）时，比较器输出会恢复为逻辑低电平状态。当下方电路中的分流电阻器 R8 接地时，此电路适用于在高达 INA 的共模电压范围内进行高侧电流检测。

设计说明

1. 选择具有轨到轨输入共模范围的比较器。
2. 选择电流检测放大器，该放大器应具有低失调电压和符合系统要求的共模输入范围。

设计步骤

1. 要确定比较器阈值电压，首先计算对应于所需电流阈值的 INA240A1 输出电压。计算取决于 INA240 的增益（A1、A2、A3、A4 分别为 20、50、100、200）、输入电流 (IG1) 和检测电阻 (R8)，以及输入电流为 0 时的基准电压 (VREF)。根据 INA240 数据表中的第 8.3.2 节，R8 是 INA240 的差分输入电压与最大输入电流的函数。鉴于该系统中的输入电流摆幅高于 100A，通过使 R8 保持较小的值，可以降低 R8 上的功率耗散。
   $\mathrm{INA\_OUT}=\mathrm{VREF}+\mathrm{G}\times \left(\mathrm{INP}-\mathrm{INN}\right)$
   $\mathrm{INP}-\mathrm{INN}=\mathrm{IG}1\times \mathrm{R}8$
   $\mathrm{VREF}=\frac{\left(\mathrm{V}+\right)-0}{2}=\frac{3.3\mathrm{V}}{2}=1.65\mathrm{V}$

   
   使用这些公式和所需的电流阈值，可生成下表：

   说明		IG1	INA-OUT
   VH, CHB	正向过流阈值	100A	1.65V + 20 × (100A × 0.33mΩ) = 2.31V
   VL, CHB	正向恢复阈值	90A	1.65V + 20 × (90A × 0.33mΩ) = 2.244V
   VH, CHA	反向过流阈值	-35A	1.65V + 20 × (-35A × 0.33mΩ) = 1.419V
   VL, CHA	反向恢复阈值	-31.5A	1.65V + 20 × (-31.5A × 0.33mΩ) = 1.4421V

   首先，重点关注顶部比较器（通道 A），它采用反相比较器配置。当反向电流低于 -35A 时，该比较器摆动至逻辑高电平；当反向电流恢复至 -31.5A 时，该比较器返回至逻辑低电平。这些电流电平分别对应于 1.419V 和 1.4421V 的电压电平。

2. 为 R2（电阻分压器中的底部电阻器）假设一个值。在该电路中，选择了 10kΩ 电阻。
3. 通过分析 INNA = V­_L 和 INNA = V_H 时的电路，根据 V+、V_L、V_H、R₂、R₃ 推导出 R1 的两个公式：
   ${\mathrm{R}}_1=\left(\frac{{\mathrm{V}}_{+}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{L}}}-1\right)\left(\frac{{\mathrm{R}}_2{\mathrm{R}}_3}{{\mathrm{R}}_2+{\mathrm{R}}_3}\right)$
   ${\mathrm{R}}_1=\frac{{\mathrm{V}}_{+}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{H}}}{{\displaystyle \frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{H}}}{{\mathrm{R}}_2}}-{\displaystyle \frac{{\mathrm{V}}_{+}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{H}}}{{\mathrm{R}}_3}}}$
4. 将这两个公式设置为彼此相等，然后求解 R₃。
   $\left(\frac{{\mathrm{V}}_{+}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{H}}}{{\displaystyle \frac{{\mathrm{V}}_{+}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{L}}}}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{H}}\right){{\mathrm{R}}_3}^2+\left(\frac{{\mathrm{V}}_{+}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{H}}}{{\displaystyle \frac{{\mathrm{V}}_{+}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{L}}}}}+{\mathrm{V}}_{+}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{H}}\right){\mathrm{R}}_2{\mathrm{R}}_3=0$
   $\left(\frac{3.3-1.4421}{{\displaystyle \frac{3.3}{1.419}}}-1.4421\right){{\mathrm{R}}_3}^2+\left(\frac{3.3-1.4421}{{\displaystyle \frac{3.3}{1.419}}}+3.3-1.4421\right)\left(10\mathrm{k}\right){\mathrm{R}}_3=0$
   ${\mathrm{R}}_3=0, {\mathrm{R}}_3=804.29\mathrm{k\Omega }$

   最接近的标准 1% 电阻值为 806kΩ。

5. 使用从 3 中推导的两个公式中的任一个求解 R₁：
   ${\mathrm{R}}_1=\left(\frac{{\mathrm{V}}_{+}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{L}}}-1\right)\left(\frac{{\mathrm{R}}_2{\mathrm{R}}_3}{{\mathrm{R}}_2+{\mathrm{R}}_3}\right)$
   ${\mathrm{R}}_1=\left(\frac{3.3}{1.419}-1\right)\left(\frac{\left(10 \mathrm{k\Omega }\right)\left(806 \mathrm{k\Omega }\right)}{10 \mathrm{k\Omega }+806 \mathrm{k\Omega }}\right)$
   ${\mathrm{R}}_1=13.093\mathrm{k\Omega }$

   最接近的标准 1% 电阻值为 13kΩ。

   下一步重点关注底部比较器（通道 B），它采用同相配置。当正向电流高于 100A 时，该比较器摆动至逻辑高电平；当正向电流恢复至 90A 时，该比较器返回至逻辑低电平。这些电流电平分别对应于 2.31V 和 2.244V 的电压电平。

   

   当比较器输出处于逻辑低电平状态和高阻抗状态（SBOA306 使用开漏比较器）时，采用比较器的高侧电流检测电路 推导出 V_TH（同相引脚上的电压）的两个公式。然后将这些公式设置为彼此相等，从而生成一个二次方程来求解 R6。由于 TLV3202 是推挽器件，输出会进入逻辑高电平状态而不是高阻抗状态。因此，上拉电阻值为 0，且 V_PU 为 V₊

6. 重写二次方程以匹配该电路：
   
   $0={\mathrm{V}}_{+}\times {{\mathrm{R}}_6}^2+\left({\mathrm{V}}_{+}\times {\mathrm{R}}_7+{\mathrm{V}}_{\mathrm{L}}\times \left({\mathrm{R}}_7\right)-{\mathrm{V}}_{\mathrm{H}}\times {\mathrm{R}}_7\right)\times {\mathrm{R}}_6+\left({\mathrm{V}}_{\mathrm{L}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{H}}\right)\times \left({{\mathrm{R}}_7}^2\right)$
   $0=3.3\times {{\mathrm{R}}_6}^2+\left(3.3\times {\mathrm{R}}_7+2.244\times \left({\mathrm{R}}_7\right)-2.31\times {\mathrm{R}}_7\right)\times {\mathrm{R}}_6+\left(2.244-2.31\right)\times \left({{\mathrm{R}}_7}^2\right)$
7. 为 R₇ 选择一个值。该电阻器决定了比较器的负载电流，因此其电阻值很大。在该电路中，假设 R₇ 为 200kΩ。
   $0=3.3\times {{\mathrm{R}}_6}^2+\left(3.3\times 200\mathrm{k}+2.244\times \left(200\mathrm{k}\right)-2.31\times 200\mathrm{k}\right)\times {\mathrm{R}}_6+\left(2.244-2.31\right)\times {\left(200\mathrm{k}\right)}^2$
   ${\mathrm{R}}_6=4.47\mathrm{k\Omega }$

   最接近的标准 1% 电阻值为 4.42kΩ。

8. 使用 R₆ 计算 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. 为 R₅ 选择一个值。在该电路中，R₅ 选择为 10kΩ。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{TH}}={\mathrm{V}}_{\mathrm{H}}\times \left(\frac{{\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_1+{\mathrm{R}}_2}\right)=9.802\mathrm{V}$
10. 求解 R₄。
    ${\mathrm{R}}_4=\frac{{\mathrm{R}}_5\times ({\mathrm{V}}_{\mathrm{s}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{TH}})}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{TH}}}=\frac{10\mathrm{k}\times (3.3-2.6)}{2.26}= 4.602 \mathrm{k\Omega }$

    最接近的标准 1% 电阻值为 4.64kΩ。

设计仿真

瞬态仿真结果

以下仿真结果对 IG1 使用 -70A 至 130A、100Hz 正弦波。

通道 A

通道 B

设计参考资料

米6体育平台手机版_好二三四 (TI)，SBOMB05 SPICE 文件，电路软件

设计特色比较器

设计特色运算放大器