电压/电流采样设计分享，玩转运放比较器

 

本次与大家分享的是世健和ADI联合举办的《在ADI电源产品的花园里“挖呀挖”》主题活动的二等奖文章：《电压/电流采样设计分享,玩转运放比较器》及作者获奖感言。

获奖感言

 

电压/电流采样设计分享,

玩转运放比较器

很荣幸被ADI评为获奖选手，从中不但学习了新知识，还实践了自己的动手能力。因为已经习惯将自己的每一个学习过程都做备忘录，让需要的朋友少走点弯路。在此特别感谢世纪电源网提供的这个平台和ADI&世健举办的这次活动，最后祝ADI、世健和世纪电源网业绩蒸蒸日上，越做越强。

 

作者: z443233785

所在行业: 电源

应用领域: PD快充及其它需要转灯功能的地方

应用案例名称1：转灯电路设计分享

应用案例名称2：采样USB-A口电流降功率

ADI电源产品类型：运放放大器

ADI电源产品型号: LT1716

前言

最近快充和电池充电经常用到转灯和电流采样功能，慢充亮红灯，快充亮蓝灯等，所以准备分享一个转灯电路和一个电流采样电路供各位工程师一起学习，以及针对我在设计上遇到的一些问题做一个总结，疏忽错误之处在所难免，还请各位前辈斧正！

本次分享大概分四个部分：

1.转灯电路设计分享，相关参数计算和电路仿真；

2.转灯实物验证测试，相关波形记录；

3.USB-A口电流采样进行降功率，相关参数计算；

4.快充A+C口实物验证测试，相关波形记录。

 

接下来为大家介绍一下此次的方案设计：

 

 

 

01

应用案例一

 

转灯电路设计分享，相关参数计算和电路仿真

首先芯片选择LT1716，工作电压是2.7-44V，对于PD电源来说3.3-21V完全够用，封装SOT23-5，小巧的封装在高密度PD电源来说非常实用。下图是一个电压采样方式转灯电路，接法为同相比较器，反相端接2.5V的参考基准电压，Vout的电压先通过电阻分压后接到正相端。

为了方便计算，在图中添加了网络标号：

当运放作为比较器使用时，Vo=(U+-U-) xa，所以当U+小于U-时，Vo=无限接近于0V，U+大于U-时，Vo=无限接近于运放的供电电压，为什么说是无限接近，因为有些运放不是完全的轨到轨，不能完全等于Vcc电压，有VOH和VOL两个电压摆幅点，这两个参数由运放本身决定，下图为LT1716规格书写的参数，其输出摆幅可以和轨到轨完全媲美：

典型值VOH为30mV，VOL为20mV，意思是说当输出高电平时Vo=Vcc-30mV，输出低电平时Vo=0+20mV

看一下仿真的结果：

左图为输出高电平时，Vo电压为12V-30mV=11.97V左右，右图为输出低电平时，Vo电压为0V+20mV=22mV左右，和规格书上的数据大致吻合。接下来让我们进行参数的一个计算，假设Vcs的电压为5V，先把U+的电压算出来，利用分压定理，串联电路中各电阻上的电流相等，各电阻两端的电压之和等于电路总电压。

式子中U等于Vcs，算R2电阻上的压降为:

由于U-参考电压为2.5V，此时U+小于U-（同相端小于反相端），1.875V<2.5V，输出为低电平，D2红灯亮。

如果输出进入9V快充状态，Vcs=9V时，U+的电压为:

此时U+大于U-（同相端大于反相端），3.375V>2.5V，输出为高电平，Q1导通拉低D2电位，D2红灯灭，D1蓝灯亮。

逻辑上没有问题之后开始画原理图和PCB Layout，先参照规格书的脚位把转灯部分的原理图画出来：

通过计算得出，输出电压的转灯临界点为6.6V。

此时PCB已经画好了，由于资料不可外传,只截图转灯电路部分,前端是AC-DC结构,输出单C口。

PCB板采用双面锡膏工艺，布局非常紧凑。

为方便有需要的朋友,附上仿真的源文件,供参考：

（可前往原贴链接下载）

https://bbs.21dianyuan.com/forum.php?mod=viewthread&tid=352743

PCB回来已经调试完成，实现了绿灯和蓝灯切换功能，因手上的是绿蓝双色灯，所以蓝灯对应原理图的红灯。

先上传波形，上电默认5V（紫色波形），U+小于U-（同相端小于反相端），输出为低电平（绿色波形），如下波形绿色为LT1716的1脚电压，紫色为输出电压。

慢慢上升调整输出电压（紫色波形），当电压达到6.3V时，U+大于U-（同相端大于反相端），输出为高电平（绿色波形），

绿色为LT1716的1脚电压，紫色为输出电压。

 

02

应用案例二

采样USB-A口电流降功率

分享一个电流采样方式的一个案例，如下原理图，红色方框为本次实验研究的主角，该案列为双口输出的一个PD快充电源，加入LT1716实现A口有设备接入充电时，C口进行降功率，该方案非常适合用于多口充电器的电流检测。该方案总功率为35W，C口35W，A口10W，当两个口同时使用时，C口变成25W，A口还是10W，这里就需要用到一个电流采样方式：

简单分析一下原理：当A口电流上升达到设计值时LT1716输出一个高电平送到单片机，单片机接收到信号后进行C口降功率，当A口电流下降达到设计值时LT1716输出一个低电平送到单片机，单片机接收到信号后恢复C口功率。

U5为基准稳压器，提供一个精度较高的1.25V电压，经过R30和R31进行分压产生一个14mV参考电压，R34为迟滞电阻。

参考电压U+的计算：

本人比较笨，所以使用非常笨的方式来算：

便于理解，先看流入该支路的总电流，

再看总电流在下拉电阻上产生的压降，

结果为14mV。

水平高一点的使用该公式可以这样：

结果为14mV。

再高级一点的（天才）可以不需要公式，直接跳过得结果。

注：以上是忽略R34迟滞电阻的计算结果。

 

由于第一个案例比较器有个缺陷，在比较门限附近时容易出现干扰信号，导致精度差，造成信号一下高一下低不稳定的情况，所以加入R34引入正反馈来解决该问题。

深入研究一下这个迟滞原理：

当输出低电平时，R34等效接地，相当于R34和R31并联拉低参考电平形成下门限U-TL，当输出高电平时，R34接入高电平抬高了原有的参考电平，并形成上门限U-TH，构成了一个滞回比较器消除干扰信号，如下图原理图和波形图：

V_CS：比较器输入信号，（检测采样到的电压信号）

U_TH：上门限

U_TL：下门限

V_OL：输出低电平，注：电平的值不是很精确

V_OH：输出高电平，注：电平的值不是很精确

状态分析：

V_CS+ 大于 U_TH 时，A-EN为低电平

V_CS+ 小于 U_TL 时，A-EN为高电平

U_TL小于 V_CS+ 小于U_TH 时，A-EN维持历史状态不变

上门限和下门限的估算：

看芯片手册，有上下门限范围：

下门限为0-75mV，上门限为Vdd+130mV，将这个代入公式：

得出上门限为18.47mV

表示达到该上门限触发动作，在此下限不动作。

得出下门限为14.42mV

当在上门限触发动作后，此时再往回走时不动作，当超越下门限时才进行动作，有效改善了在一个临界状态存在的干扰问题。

PCB画完已打样回来，附图，体积做的得非常小，用的是双面锡膏工艺。

板子现在已经贴好，同时MCU的软件也写好了，准备先上电测试，为了方便调试，把A口的座子直接引线出来。因为A口旁边有很多贴片元件不好更换，同时也把LT1716的输出端也引了根线出来，方便挂波形和调试。

参照论坛网友的参数和计算结果，确认无误后直接上电了。

上电后功能正常，C口的PDO为35W，此时A口为5V空载，没有带电流。

A口从0A负载上升到0.339A时，C口开始降功率了，PDO为25W，14楼算的上门限为18.47mV，电路上用的限流电阻为50mR，上门限电流阈值为18.47mV/50mR=0.3694A，和实际测试结果相差不大。

LT1716的输出端的波形图：

可以看到，在0.254-0.339A这一段范围没有出现电平翻转，提高了抗干扰问题。

实际测试下门限值为0.254A，理论计算是14.42mV/50mR=0.2884A。

上下门限范围为100mA，有效避免了干扰带来的误动作，可通过调整R34的大小来改变这个门限范围。

通过以上两个案例，掌握了基本的工作原理和相关的参数计算，并实现了所要求的功能，感兴趣的朋友们可以尝试动手研究一下。

本次的案例分享到此结束，感谢大家的阅读，希望可以给大家带来一点帮助。