高侧电流检测电路设计

1 前言

大家好，我是硬件花园！

分享一下我在分析该电路中犯的一个太教条的错误。

2 正文

2.1 设计目标

       设计一款电流检测电路，能够检测50mA~1A之间的负载电流，并将其转换为0.25V至5V的输出电压。单电源供电，高侧、低成本。

输入	输出	电源
Imin	Imax	Vomin	Vomax	Vcc	Vee
50mA	1A	0.25V	5V	36V	0

高侧检测使系统能够识别接地短路，并且不会对负载造成接地干扰。 2.2 设计说明

直流共模抑制比(CMRR) 性能取决于增益设置电阻器R2-R5的匹配情况。

增大分流电阻器R1的值会增加功耗。

确保共模电压Vcm处于放大器的线性输入运行区域内。

共模电压由R2、R3和总线电压构成的电阻分压器设置。

根据电阻分压器确定的共模电压，此应用可能不需要轨至轨输入(RRI) 放大器。

与反馈电阻器R5并联放置的电容器将限制带宽、提高稳定性并有助于降低噪声。

在线性输出运行区域内使用运算放大器。通常在AOL开环增益的测试条件下指定线性输出摆幅。

2.3 设计步骤

1. 计算电路的传递函数

（柱哥就在计算传递函数的时候犯了一个错误，文末有推导的手稿！）

我最开始采用的思路，是通过列A点和B点的节点电流方程和电压方程，进行推导。

流过R1、R2、R3、R4、R5电阻的电流分别记作i1、i2、i3、i4、i5。流入A点的电流为icc。通过上图可以较容易的列出以下关系式：

icc = i1+ i2;

i1= Iin+ i4;

i+ = i- =0;

i2= i3;

i4= i5;

传递函数A=Vo/Vin；那么还需要找到Vo与Vin的关系式，

Vo= V- +i5*R5;

V+=i3*R3；

VA= V+ + i2*R2;

VB= V-  + i4*R4； 

VB= VA +i1*R1;  VB=VA+Iin*R1+i4*R1

Vo= VB-i4*R4 +i5*R5= VA+Iin*R1+i4*R1-i4*R4+i4*R5;

如果联立上面的一堆关系式，发现很不容易消掉一些变量。

上面的推理过程，其实犯了一个错误，或者说忽略掉一个很重要的事实。

那就是R1<

基于上述事实，易得以下关系式

令R3=R5；R2=R4；则

联立以上关系式，求得传递函数

 

滑动查看 附： 式1，特别需要注意，要加上Vo；原因是把Vo当作参考地，那么就需要加上VO；否则计算结果就会出错。

 

另外，式1的关系，还可以用以下表达，

整理后得，

再结合式4和式5，

再将式3代入式9，也能够得到式6的结果。

滑动查看 经过上述一番推导，我深刻体会到"纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行！"老嚼别人嚼过的口香糖，那肯定是索然无味的！ 

 

2. 计算最大分流电阻。将最大分流电压设置为100mV。

3. 计算增益以设置最大输出摆幅范围。

4. 计算增益设置电阻器以设置步骤3 中计算的增益。 选择 R2 =R4= 1.01kΩ（标准值），

5. 计算放大器的共模电压以确保以线性模式运行。

6. 截止频率上限(fH) 取决于此电路的同相增益（噪声增益）和运算放大器的增益带宽(GBW)。

3 设计仿真

仿真环境：TINA-TISPICE仿真文件：SBOMAV4。（关注公众号后回复'高侧电流检测电路'，获取下载链接！） 3.1 直流仿真结果

3.2 交流仿真结果

以下图片，描述我当时推导传递函数时，思路的混乱

审核编辑：汤梓红