如何使用应用PCB技术设计低侧电流感应电路

在之前的博客文章中，我向大家介绍了如何借助低侧电流感应控制电机，并分享了为成本敏感型应用设计低侧电流感应电路的三个步骤。在本篇文章中，我将介绍如何使用应用印刷电路板（PCB）技术，采用一款微型运算放大器 (Op amp)来设计精确的、低成本的低侧电流感应电路。

图1是之前的博客文章引用的低侧电流感应电路原理图，图一中使用的是TLV9061超小型运算放大器。

图1：低侧电流感应原理图

 

公式1是计算图1所示电路的传递函数：

其中。

精确的低侧电流感应设计对印刷电路板的设计有两大要求。首先要确保分流电阻(Rshunt)直接连接到放大器的同相输入端和RG的接地端，这通常被称为“开尔文接法”（Kelvin connection）。如果不使用开尔文接法，会产生与分流电阻(Rshunt)串联的寄生电阻，导致系统产生增益误差。图2显示了系统中寄生电阻的位置。

图2：与分流电阻(Rshunt)串联的寄生电阻

 

公式2是计算图2中电路的传递函数：

第二个设计要求是要将电阻RG的接地端尽可能地靠近分流电阻(Rshunt)的接地端。当电流流过印刷电路板的接地层时，接地层上会产生压降，致使印刷电路板上不同位置的接地层电压出现差异。这会使系统出现偏移电压。在图3中，连接到RG的地面电压源符号代表了地电位的不同。

图3：接地层电压差异

公式3是计算图3所示电路的传递函数：

图4显示了正确的印刷电路板布局示意图。

图4：正确的布局示意图

图5展示了我之前建议的适合低侧电流感应设计的印刷电路板布局。顶层是红色，底层是蓝色的。印刷电路板布局中的R5和C1指示负载电阻和去耦电容应该放置的的位置。

图 5：正确的低侧电流感应印刷电路板布局

 

需要注意的是从分流电阻(Rshunt)发出的轨迹线使用开尔文接法且RG尽可能靠近分流电阻 (Rshunt)。您能够使用小型（0.8mm×0.8mm）五引脚X2SON封装的TLV9061运算放大器将所有无源器件放置在顶层分流电阻的两个焊盘之间。您可以从这里方便地将底层的分流电阻(Rshunt)线路穿过通孔与顶层的同相引脚和RG连接起来。

在您今后为低侧电流感应设计印刷电路板布局时，请务必遵循以下准则，以减少设计中潜在的错误：

在分流电阻(Rshunt)上使用开尔文接法。

RG尽可能放置在靠近分流电阻(Rshunt)接地端的地方。

去耦电容尽可能靠近电源引脚。

至少要有一个可靠的接地层。

了解更多有关使用X2SON封装设计印刷电路板布局的信息，请参阅应用报告“使用TI X2SON封装进行设计和制造”。

其它资源

更多有关印刷电路板布局的信息，请阅读下述博客文章：

“基础知识：如何为运算放大器设计印刷电路板。”

“如何布局仪表放大器的印刷电路板”

模拟设计常用公式请见“模拟工程师口袋参考书。”

阅读放大器专家Art Kay发表的关于去耦电容器的博客文章“去耦电容器......是否真的有必要？”

审核编辑：何安淇