設(shè)計目標(biāo)

設(shè)計說明

該高側(cè)電流檢測解決方案使用高壓軌到軌輸入比較器和 p 溝道 MOSFET 來創(chuàng)建過流 (OC) 鎖存電路。當(dāng)負(fù)載電流超過 10A 時，比較器的 OC 輸出信號為邏輯高電平。邏輯高輸出電平將 MOSFET 開關(guān)關(guān)斷并將負(fù)載與系統(tǒng)電源 (V_S) 斷開。比較器輸出還驅(qū)動用以控制 OC 閾值電平的 R2/R3 電阻分壓器的底部。在正常工作電流電平下，電阻分壓器的底部在接地電勢下保持低電平。但是，當(dāng)超出 OC 水平時，比較器輸出會變高，并將比較器的同相輸入提升到等于 V_S 的水平。由于比較器的集成遲滯，比較器輸出將保持高電平，從而實現(xiàn)鎖存輸出條件。只有對 V_S 進(jìn)行下電上電才能消除鎖存輸出條件。如果在比較器的輸出端添加了下拉電阻器，也可以利用關(guān)斷引腳來清除鎖存。

設(shè)計注意事項

1. 選擇具有軌到軌輸入共模范圍的比較器，以實現(xiàn)高側(cè)電流檢測。
2. 選擇具有推挽輸出級的比較器，以高效驅(qū)動 p 溝道 MOSFET。
3. 選擇具有低輸入偏移電壓的比較器，以優(yōu)化精度。
4. 選擇具有集成遲滯的比較器來創(chuàng)建鎖存輸出條件。

設(shè)計步驟

1. 選擇分流電阻 (R1) 的值，使分流電壓 (V_SHUNT) 至少比比較器輸入失調(diào)電壓 (V_IO) 大 10 倍。請注意，選擇非常大的 R1 值會提高 OC 檢測精度，但會降低電源余量。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{SHUNT}}=\left({\mathrm{I}}_{\mathrm{OC}}\times {\mathrm{R}}_1\right)\ge 10\times {\mathrm{V}}_{\mathrm{IO}}$
   $\mathrm{對于} {\mathrm{I}}_{\mathrm{OC}}=10\mathrm{A} 且 {\mathrm{V}}_{\mathrm{IO}}=6.5\mathrm{mV} (\mathrm{最大} \mathrm{值，} \mathrm{針對} \mathrm{TLV}1805), \mathrm{VSHUNT}\ge 65\mathrm{mV}$
   $\mathrm{設(shè)置} {\mathrm{R}}_1=20\mathrm{m\Omega } 以 使 {\mathrm{V}}_{\mathrm{SHUNT}}=200\mathrm{mV} \mathrm{（針對} {\mathrm{I}}_{\mathrm{OC}}=10\mathrm{A）}$
2. 由于采用了具有集成遲滯功能的比較器，因此需要在設(shè)計中適應(yīng)遲滯。請注意具有集成遲滯的比較器如何在相同的輸入電壓電平下不從高電平轉(zhuǎn)換為低電平，也不從低電平轉(zhuǎn)換為高電平。對于 TLV1805，遲滯為 14mV，因此轉(zhuǎn)換閾值分別為 ±7mV。
   TLV1805 轉(zhuǎn)換閾值
3. 比較器內(nèi)部遲滯建模的一種好方法如下所示?？梢詫⑦t滯視為有意添加到設(shè)計中的失調(diào)電壓。當(dāng)比較器的輸出為低電平時，增加一個與 V_HYS/2 等效的電壓源，與反相輸入引腳串聯(lián)。但是，當(dāng)比較器輸出為高電平時，遲滯建模為與同相輸入串聯(lián)添加的具有相同值的電壓源。
   比較器輸出低電平
   比較器輸出高電平
4. 選擇電阻分壓器 R2 和 R3 的值，以便在 V_SHUNT 超過 200mV 時，比較器輸出將從低電平轉(zhuǎn)換為高電平。由于比較器的輸出在發(fā)生 OC 狀態(tài)之前為低電平，因此請使用比較器輸出低電平模型。對于集成遲滯值為 14mV 的 TLV1805，集成遲滯可有效地將開關(guān)閾值從 V_S - 200mV 改變?yōu)?V_S - 193mV。請記住，已施加 1/2 的遲滯，因為遲滯定義為比較器的兩個開關(guān)閾值之間的差異。
5. 以下公式用于求解 R2 和 R3。
   ${\mathrm{R}}_2=\frac{\left({\mathrm{V}}_{\mathrm{SHUNT}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{HYS}}/2\right)\times \mathrm{R}3}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{S}}-\left({\mathrm{V}}_{\mathrm{SHUNT}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{HYS}}/2\right)}$
   $\mathrm{根（對于} {\mathrm{V}}_{\mathrm{S}}=24\mathrm{V}, {\mathrm{V}}_{\mathrm{SHUNT}}=200\mathrm{mV}： {\mathrm{V}}_{\mathrm{HYS}}=14\mathrm{mV} 和 \mathrm{R}3=1\mathrm{M\Omega }$
   $\mathrm{R}2=\frac{(200\mathrm{m}-14\mathrm{m}/2)\times 1\mathrm{M}}{24-(200\mathrm{m}-14\mathrm{m}/2)}$
   $\mathrm{R}2=8.107k\mathrm{\Omega } (\mathrm{最近} 1\% \mathrm{value} 為 8.06\mathrm{k\Omega })$
6. 該設(shè)計的目標(biāo)是創(chuàng)建一個在發(fā)生 OC 條件時將負(fù)載與系統(tǒng)電源斷開的電路，因此比較器的輸出連接到 p 溝道 MOSFET 開關(guān)的柵極。請記住，當(dāng)源柵電壓大于電壓閾值 (V_SG > V_TH) 時，p 溝道 MOSFET 看起來像閉合開關(guān)。同樣，當(dāng) V_SG < V_TH 時，MOSFET 將看起來像開路（請參閱下圖）。
   正常工作 = 輸出低電平和閉合開關(guān)
   OC 條件 = 輸出高電平和斷開開關(guān)
7. 在比較器輸出和 MOSFET 的柵極之間添加一個串聯(lián)電阻 (R4)，以限制從低電平轉(zhuǎn)換為高電平時的輸出電流。將電流保持在 mA 范圍內(nèi)就足夠了。為 R1 選擇 10kΩ 的值，將電流限制為 2.4mA (24V/10kΩ)。
8. 此設(shè)計的另一個目標(biāo)是在發(fā)生 OC 條件時鎖存電路。這是通過向 R2/R3 的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)提供反饋來實現(xiàn)的。當(dāng)比較器的輸出變?yōu)楦唠娖剑鼤P(guān)閉 MOSFET，并將比較器的同相節(jié)點提升到 V_S 的電壓電平。
9. 請注意，V_SHUNT 也會降低到 0V，因為負(fù)載電流現(xiàn)在為 0A。設(shè)計步驟 2 中先前提到的比較器遲滯將使同相輸入比反相輸入高 7mV。通過這種方法，可以將比較器輸出鎖存在邏輯高電平狀態(tài)。
10. 最后，電容器 C1 從同相輸入端連接到地，以確保當(dāng) V_S 在初始上電時上升時，比較器以邏輯低輸出狀態(tài)啟動。

設(shè)計仿真

直流仿真結(jié)果

瞬態(tài)仿真結(jié)果

設(shè)計參考資料

有關(guān) TI 綜合電路庫的信息，請參閱模擬工程師電路手冊。

請參閱電路 SPICE 仿真文件 SLOM456。

設(shè)計特色比較器

設(shè)計備用比較器