电流感测放大器与驱动器相结合的一体化解决方案

TI广泛的电机驱动器产品系列包括内置了电流感测功能的器件，其中大多数均使用外部分流电阻作为测量源。通过将电流感测放大器与驱动器结合在一起，为电机接口提供了一体化的解决方案，并且能够以更低的成本实现更高质量的电流感测。图 7-1 所示为所有可用的电流感测拓扑。

 

内置于这些器件中的集成电流感测放大器 (CSA) 通常分为三类，每一类都各有其优点。这些类别将在后续部分中做介绍。

单个高侧分流器

图 7-2 所示为一个用于高侧电流感测的电路。

 

进行高侧电流感测的好处包括：

• 直接测量来自电源的电流

• 可检测负载短路

• 抗接地干扰

进行高侧电流感测的一个缺点是它需要较高的共模电压。

单个低侧分流器

图 7-3 所示为一个低侧电流分流器的电路。

使用低侧分流器的一个优点是它需要较低的共模电压。使用低侧分流器的缺点是它更容易受到接地噪声的影响并且无法检测到接地短路。

两相和三相分流放大器

图 7-4 所示为一个包含两相和三相 CSA 的电路。

两相和三相 CSA 有利于电路板布局布线，因为它们具有较低的共模电压要求。此外，它们还允许单独测量每个通道，因此可用于更复杂的控制方案，例如磁场定向控制。

在电路板布局布线中使用两相和三相 CSA 的缺点包括： 

• 对接地噪声的敏感度更高 

• 无法检测接地短路 

• 会需要更多软件来实现系统总电流

元件选型

选择检流电阻时，需要在精度和功耗之间进行权衡。功率级中的大电流会流经检流电阻，因此所选电阻值必须很小，以便将功率耗散保持在尽可能低的水平。对于大电流系统，电阻值通常以mΩ为单位。例如，驱动 20A 电流并采用 1mΩ 感测电阻的系统将通过该电阻消耗 400mW 功率。在这种情况下，CSA 的输入端只接收到 20mV 的信号。增加电阻值可提高信噪比，但也会增加功率耗散。此外，还必须考虑 CSA 的性能参数。在针对系统中最坏情况下的电流进行设计时，所选的分流电阻应防止电流感测输入引脚上的电压高于 CSA 的绝对最大额定值。在正常运行期间，该电压必须保持在规定的差分电压范围参数内。选择感测电阻时，请参阅器件数据表。对于使用外部增益电阻的器件，例如 DRV3201-Q1，请选择具有高精度的元件。元件不符合要求会导致系统间共模和差模增益的巨大变化。

放置

为尽可能减小布线阻抗，感测电阻的放置应与功率级的元件一致。为降低耦合到电路板上其他布线的可能性，分流电阻也应放置在靠近 CSA 连接件的位置。对于高侧电流感测，分流电阻应靠近电源与高侧 MOSFET 源极之间的星点。对于使用外部增益电阻的高侧电流检测器件，例如 DRV3205-Q1，分压器中的第一个电阻应放置在最靠近分流电阻的位置。其余元件应放置在离器件最近的位置。对于低侧电流感测，分流电阻应位于低侧 MOSFET 源极与功率级星点接地连接件之间。对于在两个或三个单独相位上带有分流电阻的系统，分流电阻应放置于相应低侧 MOSFET 的源极与星点接地连接件之间。

布线

必须使用差分对来完成感测信号的布线。在一个差分对中，两个信号在布局中紧密耦合，布线必须从分流电阻或感测电阻并联到IC输入端的CSA。

 

有用工具（网络节点和差分对）

许多现代 CAD 工具实现了可帮助布局工程师进行 PCB 正确布线的功能。本部分介绍的特性来自于 Altium Designer 工具；但是，许多其他工具也具有类似的功能。在初始阶段进行 PCB 布线时，这些指南有助于在进行感测电阻布线时指出哪些元件布线会具有欺骗性。对于低侧分流电阻，负输入可能会直接接地，而正输入会直接连接到低侧源极引脚。为避免这种情况，应在器件和分流电阻之间放置一个网带连接组件，这样，设计人员就可在布局期间而不是在布线期间设置布线限制。图 7-6 所示为放置网带连接组件的一个示例。

使用差分对的布局技术会对两个紧密耦合的信号进行平行布线，从而降低共模噪声。建议使用差分对进行从分流电阻到 CSA 的信号布线。为了进一步降低噪声耦合，请勿让对噪声敏感的布线与有噪声（开关）的信号布线平行。

输入和输出滤波器

检测放大器的输入和输出滤波器尽可能靠近检测放大器放置。这样放置可确保器件接收到的不良噪声被限制在滤波器和检测放大器之间。图 7-7 所示为输入滤波器（C40、R30 和 R31）的示例布局。

 

注意事项

设计电机驱动器的电路板布局布线时，请遵循以下原则：

• 使用开尔文连接

• 使布局对称

• 闭合所有连接

• 使用网络节点和差分布线工具

编辑：黄飞