设计目标

设计说明

下图所示的低侧双向电流分流监控器解决方案可以精确测量 –4A 至 4A 的电流，并且可以轻松地针对不同的电流测量范围更改设计参数。INA21x 系列中的电流分流监控器集成了精密增益电阻器和零漂移架构，可在分流器上的最大压降低至 10mV 满量程的情况下进行电流感测。

设计说明

• 为了避免额外的误差，请使用 R₁ = R₂ 并保持电阻尽可能小（不超过 10Ω，如《INA21x 电压输出、低侧或高侧测量、双向、零漂移系列电流分流监控器》 中所述）_。
• 低侧感测不适用于系统负载无法承受小型接地干扰或需要检测负载短路的应用。
• 电流感测放大器入门 视频系列介绍了使用电流感测放大器时应了解的实现方案、误差源和高级主题。

设计步骤

1. 根据所需的电流范围确定 V_ref：

   对于 –4A 至 4A 的电流范围，有一半的范围低于 0V，因此设置：

   $V_{ref}=\frac{1}{2}{V}_s=\frac{5}{2}=2.5V$
2. 根据最大电流和最大输出电压确定所需的分流电阻。

   为了不超过相对于电源轨的摆幅并允许一些余量，应使用 V_outMax = 4.5V。这与最大电流 4A 和在第 1 步中计算的 V_ref 相结合，可以使用以下公式确定分流电阻：

   $R_1=\frac{V_{\mathrm{outMax}}-V_{\mathrm{ref}}}{\mathrm{增益}\times I_{\mathrm{loadMax}}}=\frac{4.5-2.5}{100\times 4}=5\mathrm{m\Omega }$
3. 确认 V_out 将处于所需的范围之内：

   当最大电流为 4A、增益 = 100V/V、R₁ = 5mΩ 且 V_ref = 2.5V 时：

   $V_{\mathrm{out}}=I_{\mathrm{load}}\times \mathrm{Gain}\times R_1+V_{\mathrm{ref}}=4\times 100\times 0.005+2.5=4.5V$

   当最小电流为 -4A、增益 = 100V/V、R₁ = 5mΩ 且 V_ref = 2.5V 时：

   $V_{\mathrm{out}}=I_{\mathrm{load}}\times \mathrm{Gain}\times R_1+V_{\mathrm{ref}}=-4\times 100\times 0.005+2.5=0.5V$
4. 滤波电容器选择：

   为了对 1kHz 的输入信号进行滤波，应使用 R₁ = R₂ = 10Ω：

   $C_1=\frac{1}{2\pi (R_1+R_2)F_{-3\mathrm{dB}}}=\frac{1}{2\pi (10+10)1000}=7.958\times {10}^{-6}\approx 8\mathrm{\mu F}$

更多有关信号滤波和相关增益误差的信息，请参阅《INA21x 电压输出、低侧或高侧测量、双向、零漂移系列电流分流监控器》。

设计仿真

直流分析仿真结果

下图显示了给定输入电流 I_in 下的仿真输出电压 V_out。

交流分析仿真结果

下图显示了仿真增益与频率间的关系（通过相关的设计步骤实现）。

瞬态分析仿真结果

下图显示了 –4A 至 4A I_in 中阶跃响应的输出 V_out 的仿真延迟和建立时间。