低边100A大电流检测电路设计

目录：

一、简介

二、低边电流检测电路

三、低边电流检测电路设计

四、电路设定值的确定方法

五、设计示例

一、简介

在汽车和工业设备领域，低边电流检测电路用于电流（电压）控制、过流限制和剩余电池电量检测等功能。通过分流电阻和电流检测放大器来实现的低边电流检测电路非常常见。 系统的电压电流检测移步：电压、电流检测方法汇总，下面是低边检测电路的详细介绍。

二、低边电流检测电路  

负载(LOAD)产生的负载电流(ILOAD)通过分流电阻(RSHUNT)，产生ΔVSHUNT的电压。该电压由运算放大器(OPAMP)差动增幅，与后段的 AD 转换器和微计算机等连接，测量电流值，用于系统控制。

Figure 1 的各符号如下所示。

三、低边电流检测电路设计

在没有运算放大器的输入偏移电压的情况下，Figure 1 的电路由以下公式表示:

在实际电路中，运算放大器的输入偏移电压、分流电阻的阻值公差、增益设定用电阻 R1、R2 的相对公差都会影响电流检测精度。 这些加在一起时的输出电压 Vo'，用以下公式表示。

其中，RSHUNT'、R1'、R2'分别是包含公差的值。运算放大器的输入偏移电压Vos为了计算方便，仅用＋方向表示。 Vos计算方法详见：运算放大器参数详细解释与分析之2、输入偏置与失调电流的测量。

另外，此电流上所能实现的电流检测精度 Err由以下公式表示。

四、电路设定值的确定方法

根据这些公式，说明元件选定和电路设定值的确定方法。首先作为装置的要求规格，决定以下的项目。

电流检测范围：ILOADmin～ILOADmax [A]

电流检测精度：Err [％]

电流检测频率：fsense [Hz]

电流检测频率表示的是对于电流的变化可以以多快的速度测量。检测电流的速度慢的情况下，不能跟踪负载电流的变 化而不能正确测量。另一方面，如果检测电流的速度过快，就会测量到噪声等，无法 正确测量。需要设计与想要测量 的电流的时间转变相匹配的检测频率。

在分流电阻两端产生的电压的最大值：ΔVSHUNTmax [V]

分流电阻 RSHUNT所产生的电压值 ΔVSHUNT越大电流检测精度就越好(参考补充 1)。

但是，低边电流检测方式中，ΔVSHUNT 是在负载和接地之间产生的，有时会出现接地电压上升的状态，负载电路工作 变得不稳定。

运算放大器的最大输出电压 : Vomax [V]

根据运算放大器能够输出的最大电压和后段的 AD 转换器等能够输入的电压范围的平衡来决定规格。

Step 1: 分流电阻的选定

分流电阻值由公式(4)根据先前确定的装置的要求求出。另外，由于分流电阻会有大电流流过，所以也需要注意分流电压要在额定 范围内使用，但是也要考虑到分流电阻发热对周围的影响，推荐选择具有充分余量的额定功率容量的分流电阻。额定功率由公式 (5)求出。选择满足这些条件的分路电阻。

Step 2: 增益设定用电阻的设计

信号增益由公式(6)表示，只要确定 R1、R2 中的一个，就可以求出另一个的电阻值。

Step 3:运算放大器的选定

选择运算放大器时需要注意以下项目。

- 偏移电压。从公式(1)、公式(2)、公式(3)中求出达成电流检测精度 Err所需的运算放大器的偏移电压。

- 运算放大器的输入电压范围相对于ΔVSHUNT有余量。

- 运算放大器的输出电压范围与后段系统(AD 转换器和微计算机等))的输入电压范围相匹配。

- 在系统可生成的电源电压下可操作。

- 运算放大器的频率是 fsense 的 10 倍以上。

Step 4: 频率特性的设计

频率特性一般确保在 fsense 的 10 倍余量。根据差动增幅电路的频率来设计 C1。

Step 5: 其它周边电路

・保护电路

在 Figure 1 中，假设了分流电阻的 OPEN 故障，配置了为了保护运算放大器的输入引脚过压的齐纳二极管。分流电阻 OPEN 的 情况下，运算放大器的输入引脚，和施加在负载（LOAD）的电压相同，有可能最大施加+12V，不过，为了不超过运算放大器的 输入端子的额定电压，必须插入保护元件。

保护用电路根据想从什么状态保护什么，插入的保护电路、元件不同，请充分斟酌。

五、设计示例

[装置的要求规格]

电流检测范围 ILOADmin～ILOADmax = 30A～50A

电流检测精度 Err = 7％

电流检测频率 fsense = 1kHz

由分流电阻产生的电压 ΔVSHUNTmax = 50mV

运算放大器的最大输出电压 Vomax = 3.3V

Step 1: 分流电阻的选定

将前面出现的公式(4)、(5)分别代入值，就可以决定分流电阻的规格。

Step 2: 增益设定用电阻的设计

根据前面出现的公式(6)、(7)决定增益和增益设定用电阻。设定 R1 = 2kΩ，计算 R2。

在利用外置电阻进行增益设定的电路中，需要考虑 R1 和 R2 的相对公差来决定增益。另外，为了减少元件数量，从 E24 系列选 择 120kΩ。

Step 3: 运算放大器的选定

为了达成电流检测精度 Err 7％以下所需要的运算放大器的偏移电压由公式(1)、(2)、(3)导出。将公式(1)、(2)代入公式(3)，变形求解 Vos 的公式。R1'、R2'、RSHUNT'中包含电阻值公差和电阻值温度特性。电流检测精度 Err 最大(最坏情况Worst Case)为以下条件，将它们代入求 Vos。

R1' = (公差) * (温度特性) * R1 = (-0.5%) * (-50ppm/℃) * R1

R2' = (公差) * (温度特性) * R2 = (+0.5%) * (+50ppm/℃) * R2

RSHUNT' = (公差) * (温度特性) * RSHUNT = (+1%) * (+100ppm/℃) * RSHUNT

Vos ≤ 847uV(Ta = 125℃时)

考虑到运算放大器所要求的其它特性，可选择 ROHM 的 LMR1802G-LB。

(Note 1) Absolute value

(Note 2) Full range: Ta=-40 °C to +125 °C 

Step 4: 频率特性的设计

根据公式(8)，滤波用电容 C1 如下求出，从 E6 系列中选择 150pF。

Step 5: 其它周边电路

选择的运算放大器 LM1802G-LB 输入引脚电压的定额是 7V 。另外，齐纳电压 VZ 配合运算放大器的电源电压+5V。假设分流电阻为 OPEN 的情况下，流过齐纳二极管的电流 IZD按以下计算。

满足齐纳电流 3.5mA 时齐纳电压在 5V 左右， 可选择TDZV5.1/UDZV4.7B/EDZV4.7B/CDZV4.7B 等。 在把握瞬态动作和各特性的基础上，选择最适合保护的元件。

这样，所有的元件和设定值都确定了，下面的电路就可以设计了。

来源：爱上电路设计