設(shè)計(jì)目標(biāo)

設(shè)計(jì)說明

此低功耗低側(cè)雙向電流檢測方案使用兩個毫微功耗零漂移放大器 (LPV821) 和一個帶有集成精密基準(zhǔn)的微功耗比較器 (TLV3012)。該電路非常適合需要精確監(jiān)控充電電流和系統(tǒng)電流的電池供電型設(shè)備。U1 和 U2 的增益是獨(dú)立設(shè)置的。

如應(yīng)用電路所示，在 R_SENSE 兩端異相連接 LPV821 放大器來放大相反極性的電流。放大器 U2 線性放大充電（正）電流，而放大器 U1 線性放大系統(tǒng)（負(fù)）電流。U2 在監(jiān)測正電流時，U1 將其輸出端接地。同樣，在 U1 監(jiān)測負(fù)電流時，U2 將其輸出端接地。在由 U1 或 U2 提供接地基準(zhǔn)的同時，通過電阻器 R₇ 和 R₈ 對放大器輸出進(jìn)行或運(yùn)算，從而產(chǎn)生可由比較器監(jiān)測到的單個輸出電壓。

如果系統(tǒng)中已有穩(wěn)壓電源或基準(zhǔn)，可以用毫微功耗比較器（例如 TLV7031）來代替 TLV3012。而且，如果充電電流和系統(tǒng)電流的幅度相等，可以將放大器 U1 和 U2 的增益設(shè)為彼此相等。即使放大器的增益相等，對放大器輸出進(jìn)行或運(yùn)算也可以讓一個比較器檢測充電電流和系統(tǒng)電流的過流情況。

設(shè)計(jì)說明

1. 利用精密電阻器并設(shè)置 R₁ = R₃、R₂ = R₄ 且 R₇ = R₈，從而更大限度降低誤差。
2. 選擇 R_SENSE，從而盡可能地減小最大電流時的電壓降，并在監(jiān)測最小電流水平時減少放大器偏移誤差。
3. 選擇放大器增益，使 COMP_IN 在充電電流和系統(tǒng)電流達(dá)到臨界水平時達(dá)到 1.242V，并避免放大器超出其線性范圍。

設(shè)計(jì)步驟

1. 在 R₁ = R₃、R₂ = R₄ 且 R₇ = R₈ 的情況下，確定傳遞方程。

   反相路徑：

   $\mathrm{COMP\_IN}=-{\mathrm{I}}_{\mathrm{G}1}\times {\mathrm{R}}_{\mathrm{SENSE}}\times \left(-\frac{{\mathrm{R}}_6}{{\mathrm{R}}_5}\right)\times \left(\frac{{\mathrm{R}}_8}{{\mathrm{R}}_7+{\mathrm{R}}_8}\right)$

   同相路徑：

   $\mathrm{COMP\_IN}={\mathrm{I}}_{\mathrm{G}1}\times {\mathrm{R}}_{\mathrm{SENSE}}\times \left(\frac{{\mathrm{R}}_4}{{\mathrm{R}}_3 + {\mathrm{R}}_4}\right)\times \left(\frac{{\mathrm{R}}_1 + {\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_1}\right)\times \left(\frac{{\mathrm{R}}_7}{{\mathrm{R}}_7+{\mathrm{R}}_8}\right)$
2. 假定以 1A 電流充電時最大電壓降 (V_SENSE) 為 100mV 并且最低系統(tǒng)電流為 10mA，在此情況下，選擇 SENSE 電阻值。
   $$\begin{gathered} {\mathrm{R}}_{\mathrm{SENSE}}\left(\max \right)=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{SENSE}} \left(\max \right)}{{\mathrm{I}}_{\mathrm{G}1} \left(\max \right)}=\frac{100 \mathrm{mV}}{1\mathrm{A}}=100 \mathrm{m\Omega } \\ \mathrm{with} {\mathrm{I}}_{\mathrm{G}1}\left(\min \right)=10\mathrm{mA}, {\mathrm{V}}_{\mathrm{SENSE}}=10\mathrm{mA}\times 100\mathrm{m\Omega }=1 \mathrm{mV}>>\mathrm{VOS}\left(\max \right)=10\mu \mathrm{V} \end{gathered}$$
3. 選擇用于或運(yùn)算的電阻器 R₇ 和 R₈ 來生成 COMP_IN。
   1. 在 R₇ =R₈ 的情況下，將相等衰減系數(shù) 2 應(yīng)用于比較器的輸入。應(yīng)選擇較大值，從而最大限度減小來自放大器輸出的電流消耗。
   2. 驗(yàn)證 COMP_IN 的電壓時，必須特別小心。由于 R₇ 和 R₈ 是大阻抗值，所以示波器探頭的輸入阻抗或數(shù)字電壓表的輸入會改變測量的電壓。常見的探頭和電壓表輸入阻抗為 10MΩ，這會使測量的信號衰減。
      $$\begin{gathered} {\mathrm{R}}_7={\mathrm{R}}_8=2.49\mathrm{M\Omega }, \\ \mathrm{COMP\_IN}=(\mathrm{VOUT\_Inv} \mathrm{or} \mathrm{VOUT\_NonInv})÷2 \end{gathered}$$
4. 選擇放大器增益，使 COMP_IN 在電流達(dá)到臨界閾值時達(dá)到 1.242V。
   $\mathrm{Gain}=\frac{2\times Comparator REF}{{\mathrm{R}}_{SENSE}\times \left|{\mathrm{I}}_{G1} \left(max\right)\right|}$
   $$\begin{gathered} \mathrm{Gain} \left(Inv\right)=\frac{2\times 1.242}{0.1\times (-0.\mathrm{1)}}=\frac{{\mathrm{(-R}}_{\mathrm{6)}}}{{\mathrm{R}}_5}\approx -249\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}} \\ \mathrm{Gain} \left(NonInv\right)=\frac{2\times 1.242}{0.1\times 1.0}=\frac{{\mathrm{R}}_4}{{\mathrm{R}}_3+{\mathrm{R}}_4}\times \frac{{\mathrm{R}}_1+{\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_1}\approx 24.9\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}} \end{gathered}$$

設(shè)計(jì)仿真

直流仿真結(jié)果 (VOUT_Inv)

瞬態(tài)仿真結(jié)果 (VOUT_Inv)

直流仿真結(jié)果 (VOUT_NonInv)

瞬態(tài)仿真結(jié)果 (VOUT_NonInv)

技術(shù)手冊和博客參考

德州儀器 (TI)，將毫微功耗零漂移放大器用于手機(jī)電池監(jiān)控所具有的優(yōu)勢，應(yīng)用手冊

德州儀器 (TI)，無中性點(diǎn)照明開關(guān)中的電流檢測，技術(shù)簡介

德州儀器 (TI)，由鋰離子電池供電的個人電子產(chǎn)品中的 GPIO 引腳電源信號鏈，應(yīng)用簡介

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