電壓、電流采樣電路的設(shè)計及放大倍數(shù)計算

因為FOC運(yùn)算需要用到電機(jī)的線電流值和母線電壓值，所以ADC采樣功能必不可少。但是單片機(jī)的IO口輸入電壓范圍是0~3.3V，所以為了保證安全，需要把測量電壓保持在這個范圍之內(nèi)。

計算運(yùn)放電路的放大倍數(shù)之前，需要先明確幾個模電的概念-------虛短、虛斷。
虛短：運(yùn)放的兩個輸入端視為同等電位；
虛斷：因為流入運(yùn)放輸入端的電流往往不足1uA，所以輸入端可以視為等效開路。

電壓采樣電路圖

電壓采樣電路如上圖所示。

電壓放大增益計算

假設(shè)上圖中Vcc為48V，R1 = 47K，R2 = 1K。則根據(jù)電阻分壓，Vi = 48 * （1/48）=1V。
因為虛短：V+ = V-。（式1）
因為虛斷：反向輸入端無電流輸入輸出，通過R3和R4的電流相等，假設(shè)電流為I，則由歐姆定律得：
I = Vout / (R3 + R4)。
由圖和（式1）知：Vi = V+ = V- = R4上的分壓。
即：Vi = I * R4
即：

Vi已知，只要保證Vout在0~3.3V之間就可以進(jìn)行電壓的采集，進(jìn)而對電路中電阻阻值進(jìn)行設(shè)置。

電流采樣電路圖

電流采樣電路圖如上圖所示。

電流放大增益計算

ADC采集電流實(shí)際上還是采集電壓，如上圖，R9就是電流采樣電阻。采集R9兩端電壓，然后根據(jù)歐姆定律得到電流值。
先假設(shè)：V = i * R9。（式1）
由虛斷知：運(yùn)放輸入端沒有電流流過，則流過R5和R8的電流相等；R6和R7的電流相等。
則有如下公式：

由虛短知：Vx = Vy （式3）
聯(lián)合（式1）和圖可知：V1 = V2 + V。（式4）
將（式4）和（式3）帶入（式2）的第一個等式得：

假設(shè)??！R5 = R6。R7 = R8。
（式5）-（（式2）的第二個等式）可得到：

進(jìn)而得到：

因為電流范圍已知，所以V就已知，然后R5和R6相等（自由設(shè)置），R8和R7相等（自由設(shè)置）。
只要保持Vout在0~3.3V之間，就可以對電路電阻進(jìn)行設(shè)置。

2、電壓、電流采樣電路設(shè)計主要方式：

●使用采樣電阻，再送給放大器

●使用霍爾傳感器

● 使用電流檢測IC

一、使用采樣電阻：

精密放大器方案：

電路檢測電路常用于：高壓短路保護(hù)、電機(jī)控制、DC/DC換流器、系統(tǒng)功耗管理、二次電池的電流管理、蓄電池管理等電流檢測等場景。

對于大部分應(yīng)用， 都是通過感測電阻兩端的壓降測量電流。

一般使用電流通過時的壓降為數(shù)十mV～數(shù)百mV的電阻值，電流檢測用低電阻器使用數(shù)Ω以下的較小電阻值；檢測數(shù)十A的大電流時需要數(shù)mΩ的極小電阻值，因此，以小電阻值見長的金屬板型和金屬箔型低電阻器比較常用，而小電流是通過數(shù)百mΩ～數(shù)Ω的較大電阻值進(jìn)行檢測。

測量電流時， 通常會將電阻放在電路中的兩個位置。第一個位置是放在電源與負(fù)載之間。這種測量方法稱為高側(cè)感測。通常放置感測電阻的第二個位置是放在負(fù)載和接地端之間。這種電流感測方法稱為低側(cè)電流感測

兩種測量方法各有利弊，低邊電阻在接地通路中增加了不希望的額外阻抗；采用高側(cè)電阻的電路必須承受相對較大的共模信號。低側(cè)電流測量的優(yōu)點(diǎn)之一是共模電壓， 即測量輸入端的平均電壓接近于零。這樣更便于設(shè)計應(yīng)用電路， 也便于選擇適合這種測量的器件。低側(cè)電流感測電路測得的電壓接近于地， 在處理非常高的電壓時、 或者在電源電壓可能易于出現(xiàn)尖峰或浪涌的應(yīng)用中， 優(yōu)先選擇這種方法測量電流。由于低側(cè)電流感測能夠抗高壓尖峰干擾， 并能監(jiān)測高壓系統(tǒng)中的電流。

1、低端檢測：

優(yōu)點(diǎn)：共模電壓， 即測量輸入端的平均電壓接近于零。這樣更便于設(shè)計應(yīng)用電路， 也便于選擇適合這種測量的器件。低側(cè)電流感測電路測得的電壓接近于地， 在處理非常高的電壓時、 或者在電源電壓可能易于出現(xiàn)尖峰或浪涌的應(yīng)用中， 優(yōu)先選擇這種方法測量電流。

缺點(diǎn)：在接地通路中增加了不希望的額外阻抗；采用電源接地端和負(fù)載、系統(tǒng)接地端時， 感測電阻兩端的壓降會有所不同。如果其他電路以電源接地端為基準(zhǔn)， 可能會出現(xiàn)問題。為最大限度地避免此問題， 存在交互的所有電路均應(yīng)以同一接地端為基準(zhǔn)， 降低電流感測電阻值有助于盡量減小接地漂。

2、高端檢測：

缺點(diǎn)：必須承受相對較大的共模信號。

隨著大量包含高精度放大器和精密匹配電阻的IC的推出，在高側(cè)電流測量中使用差分放大器變得非常方便。高側(cè)檢測帶動了電流檢測IC 的發(fā)展，降低了由分立器件帶來的參數(shù)變化、器件數(shù)目太多等問題，集成電路方便了我們使用。下圖為一種高側(cè)檢測的 IC 方案：

3、檢測電路連接方式：

電壓檢側(cè)連接如下圖(2)所示，建議從電阻器電極焊盤的內(nèi)側(cè)中心引出。這是因為電路基板的銅箔圖案也具備微小的電阻值，需要避免銅箔圖案的電阻值所造成的壓降的影響。如果按照下圖(1)所示，從電極焊盤的側(cè)面引出電壓檢測圖案，檢測對象將是低電阻器電阻值加上銅箔圖案電阻值的壓降，無法正確地檢測電流。

精密運(yùn)放：OPA333 電流感測放大器：INA199/INA138/INA168

4.PCB Layout參考：

電流感測放大器方案：

采用分立電流感測放大器時要考慮的另一因素是 PCB 布局。需要將 R1 和 R2 放在盡可能靠近運(yùn)算放大器和 電流感測電阻的位置。將這些元件放在靠近運(yùn)放的位置 后，運(yùn)算放大器同相輸入端出現(xiàn)噪聲拾取的可能性會降 低。由于很多電流感測放大器都與 DC/DC 轉(zhuǎn)換器配合 用，因此需要仔細(xì)考慮整個電流感測電路的放置位置，以免 DC/DC 電源發(fā)出輻射噪聲。差分放大器增益 可通過圖 2 所示的等式進(jìn)行計算。但增益增大或減小都 會影響解決方案的穩(wěn)定性和帶寬。如果應(yīng)用中存在容性 負(fù)載，需要特別考慮運(yùn)放的 穩(wěn)定性，以免 出現(xiàn)振蕩或 嚴(yán)重的輸出振鈴現(xiàn)象。

若要克服分立實(shí)現(xiàn)方案的缺陷，一種有效方式是采用圖 3 中所示的電流感測放大器。

電流感測放大器集成了增益設(shè)置電阻，從而可減少分立實(shí)現(xiàn)方案存在的諸多布局問題。內(nèi)部電阻設(shè)計用于減少不匹配情況，從而可優(yōu)化增益誤差規(guī)范。電流感測放大器經(jīng)過預(yù)先配置，可滿足多種不同的增益要求。例 如，INA199 的增益可為 50、100 和 200 V/V。帶寬和容性負(fù)載穩(wěn)定性使用數(shù)據(jù)表中指定的最大容性負(fù)載針對各個增益設(shè)置進(jìn)行了優(yōu)化。集成增益設(shè)置電阻可降低噪聲靈敏度、減小 PCB 占用面積，并可簡化布局。集成這些電阻并不一定意味著會增大封裝尺寸。INA199 可 采用 2 mm x 1.25 mm SC70 6 引線封裝和 1.8 mm x 1.4 mm 超薄四方扁平無引線 (UQFN) 封裝。

INA199 的電流測量精度要高于成本效益高的分立運(yùn)放 設(shè)計可達(dá)到的精度。該器件在 -40°C 至 105°C 溫度范圍內(nèi)的最大增益誤差為 1.5%。INA199 的偏移小于 150 μV，漂移低于 0.5 μV/°C。INA199 還 具有 REF 引腳。施加到 REF 引腳上的電壓會增大輸出端電壓。如果下游器件需要轉(zhuǎn)換電流信號電平，可使用該引腳。

備選器件建議：

對于對性能要求較高的 應(yīng)用， INA210-215 系列器件具 有較低的偏移（最大 35μV）和增益誤差（最大 1%）。如果需要使用數(shù)字接口實(shí)現(xiàn)高精度電流監(jiān)測，INA226 具有 最大 10 μV 的偏移以及 0.1% 的增益誤差。如果需 要小型數(shù)字電流監(jiān)測，可選擇采用小型 1.68 mm x 1.43 mm 封裝的 INA231，它非常適合便攜式應(yīng)用或空間受 限的其他 應(yīng)用。如果需要通過引腳可綁定的增益設(shè)置進(jìn) 行電壓輸出電流監(jiān)測，可采用 INA225。

二、使用霍爾傳感器：

利用霍爾傳感器芯片設(shè)計直流電流檢測電路:

https://wenku.baidu.com/view/2b932502fe4733687e21aadf.html

UGN3501T／U,UGN350／M線性霍爾集成傳感器及其應(yīng)用:https://www.docin.com/p-1135936661.html

三、使用電流檢測IC:

1、MAX471/MAX472：

MAX471/MAX472是MAXIM公司生產(chǎn)的精密高端電流檢測放大器，利用該器件可以實(shí)現(xiàn)以地為本文介紹了用MAX471/472高端雙向電流檢測技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對電源電流的監(jiān)測和保護(hù)的方法，參考的電流/電壓的轉(zhuǎn)換，并給出了直流電源監(jiān)測與保護(hù)的實(shí)現(xiàn)電路。

MAX471/MAX472的特點(diǎn)、功能：

●具有完美的高端電流檢測功能；?

●內(nèi)含精密的內(nèi)部檢測電阻（MAX471）；?

●在工作溫度范圍內(nèi)，其精度為2%；?

●具有雙向檢測指示，可監(jiān)控充電和放電狀態(tài)；

●內(nèi)部檢測電阻和檢測能力為3A，并聯(lián)使用時還可擴(kuò)大檢測電流范圍；

●使用外部檢測電阻可任意擴(kuò)展檢測電流范圍（MAX472）；

●最大電源電流為100μA；

●關(guān)閉方式時的電流僅為5μA；?

●電壓范圍為3～36V；?

●采用8腳DIP/SO/STO三種封裝形式。

MAX471的電流增益比已預(yù)設(shè)為500μA/A，由于2kΩ的輸出電阻（ROUT）可產(chǎn)生1V/A的轉(zhuǎn)換，因此±3A時的滿度值為3V.用不同的ROUT電阻可設(shè)置不同的滿度電壓。但對于MAX471，其輸出電壓不應(yīng)大于VRS+-1.5V，對于MAX472，則不能大于VRG-1.5V。

MAX471/MAX472的引腳功能：

OUT端為電流幅度輸出端，而SIGN端可用來指示輸出電流的方向。SIGN是一個集電極開路的輸出端（僅吸收電流），可和任何采用電壓供電的邏輯電路相連，用100kΩ的上拉電阻即可把SIGN連接到邏輯電源。對于MAX471來說，在電流從RS-流向RS+時，輸出低電平。而當(dāng)電流從RS+流向RS-時，輸出高電平。在采有電流供電的電路中，無論是充電還是放電，只要負(fù)載電流大于1mA，SIGN端的輸出都能精確地指示出電流方向。

在SHDN為高電平時，MAX471/MAX472進(jìn)入關(guān)閉模式，此時系統(tǒng)的消耗電流小于5μA。在關(guān)閉狀態(tài)下，SIGN為高阻狀態(tài)，OUT截止。

電源監(jiān)測與保護(hù)電路：

用MAX471構(gòu)成的直流電源監(jiān)測與保護(hù)電路如圖3所示，該電路可以和任意電源相連，能進(jìn)行電流、電壓的自動顯示和過流報警與保護(hù)。圖中R1為MAX471輸出端電阻，用于決定I/V的轉(zhuǎn)換靈敏度。由于筆者是采用85C1-V30V磁電式直流電壓表來顯示輸出電壓和電流的，所以R2為20kΩ，靈敏度為10V/A。實(shí)際應(yīng)用時，R1可用標(biāo)準(zhǔn)儀表來進(jìn)行微調(diào)校正。J1-1為電壓/電流顯示轉(zhuǎn)換繼電器。在初始狀態(tài)下調(diào)整輸出電壓時，由于未接負(fù)載，Irt為零，IOUT端的輸出電壓為零，J1不吸合，J1-1常閉以使昨電壓表接入電源輸出端，從而顯示輸出電壓，并使VD3發(fā)光，以表示測接入量值為電壓。當(dāng)負(fù)載電源后，IOUT端通過R1使VT2導(dǎo)通，繼電器J1吸合，電壓表通過JL-1接入IOUT端以顯示I/V轉(zhuǎn)換器，同時，VD4發(fā)光以表示測量值為負(fù)載電流，開關(guān)K為強(qiáng)制轉(zhuǎn)換開關(guān)，可方便地將顯示儀表設(shè)置為輸出電壓測量。此開關(guān)一般情況下處在打開狀態(tài)。VT1為射極輸出器，可用于減小VT2和IC2對IOUT端的影響。過流保護(hù)電路用集成電路TL431來完成，J2為過流保護(hù)用繼電器，W為過流保護(hù)調(diào)節(jié)電位器，當(dāng)VA=UB[R5/（W+R5）]=2.5V時，TL431的陽極端電壓為2.5V，J2吸合，J2-1切斷輸出；同時J2-2閉合，VD5發(fā)光指示，報警音樂集成電路IC3得電并通過VT3驅(qū)動報警喇叭，從而以聲、光形式構(gòu)成流保護(hù)指示。

2、TSC103：

意法半導(dǎo)體的 TSC103測量高側(cè)分流電阻上的小差分電壓，并將其轉(zhuǎn)換為以地為參考的輸出電壓。極寬的輸入共模電壓范圍（2.9 V至70 V）可用于各種應(yīng)用。在雙電源配置中，TSC103具有-2.1 V至65 V的寬共模電壓范圍，可監(jiān)控地下電源線。增益可通過兩個部分引腳調(diào)整為從20 V / V到100 V / V的四個不同值。TSC103通過其本質(zhì)上低電源電流（ICC）和良好的精度幫助系統(tǒng)設(shè)計人員降低能耗，從而最大限度地降低分流電阻的值。

特性:

電源電壓范圍：2.7 V至5.5 V，單電源電壓配置

低電流消耗：ICC max =360μA

獨(dú)立供電和輸入共模電壓

寬共模工作范圍：

單電源配置為2.9 V至70 V.

雙電源配置為-2.1 V至65 V.

引腳可選增益：20 V / V，25 V / V，50 V / V或100 V / V.

寬共模存活范圍：-16 V至75 V（反向電池和拋負(fù)載條件）

緩沖輸出

采用小型SO-8和TSSOP8封裝

數(shù)據(jù)手冊：http://www.icpdf.com/PartnoView.asp?id=7323146_704440&page=11#view

3、LTC6102：