电源管理之电路模型——直流采样电路
参考教程https://b23.tv/Go85eHq一、直流采样电路的基本模型1、直流采样电路的背景1单片机的ADC外设可以将引脚上连续变化的模拟电压值转换为内存中存储的数字变量建立模拟电路到数字电路的桥梁但无法直接进行电流信号转换。2如果希望单片机能够采集电流信号则需要将电流信号转换为电压信号这可以用“检流电阻”实现。2、直流采样电路的工作原理1在负载电路中串联一个精密电阻阻值根据负载电路中的电流最大值计算当电路通电时流过负载的电流和流过精密电阻的电流相同根据欧姆定律精密电阻两端存在电压差可以根据电压差求出流过精密电阻的电流值。2根据检流电阻所在位置的不同可分为低边电流采样电路和高边电流采样电路。二、几种直流采样电路介绍1、低边电流采样电路1在低边电流采样电路中检流电阻的一端连接负载另一端连接GND电流流经负载后通过检流电阻返回GND。2下图所示的是低边电流采样电路原理图其中RS1为检流电阻OPA2365为同相比例放大器。①假定负载电流为1A那么RS1两端的电压差就是25mV该压差能够被OPA2365的INA引脚采集。根据电路参数可计算出该同相比例放大器的电压放大倍数为21具体计算方法可参考《模拟电路》放大器同相输入端的电压值等于RS1的压差25mV乘以放大倍数21即可得到放大器输出端的电压值为0.525V也就是说1A电流对应放大器输出端的电压值为0.525V。②经过同相比例放大器放大后的电压信号将被送入OPA2365的电压跟随器电压跟随器具有高输入阻抗和低输出阻抗特性能够实现信号的缓冲。③经过缓冲处理的信号最终送入单片机的ADC输入单片机程序对其进行数值转换即可得到实际电流值。3在实际使用中如果对精度要求较高可选择更高精度的元件和电压基准源。4GND并不是理想的地电平低边电流检测会引入地电平干扰在大电流检测中这种干扰尤为显著同时低边电流采样电路也无法检测负载对地短路要想克服这两个缺陷需要使用高边电流采样电路。2、高边电流采样电路1在高边电流采样电路中检流电阻的一端连接负载另一端连接VCC电流流经检流电阻后进入负载。2下图所示的是高边电流采样电路原理图其中RS2为检流电阻OPA2365为同相比例放大器AD8418为电流检测放大器。①AD8418是一款高压、高分辨率电流检测放大器其特性如下AD8418特性对于高边电流采样电路的优势AD8418设定初始增益为20V/V不需要通过设计外部电阻阻值来设计电压增益避免了因电阻精度和温漂导致的增益误差批量化生产时性能一致性更高AD8418在整个温度范围内的最大误差为±0.2%无论在寒冷的户外还是高温的机箱内都能维持极高的测量精度这对于电池管理、电机热保护等应用至关重要AD8418缓冲输出电压可直接与任何典型转换器连接缓冲器能提供足够的电流驱动能力可以直接、稳定地驱动ADC的采样保持电容无需额外增加电压跟随器如果希望有更高的采样精度额外增加也是可以的简化了电路设计AD8418具有出色的输入共模抑制性能宽共模范围让它能直接用于各种高压系统且-4V至85V的耐压范围还能抵御电压尖峰或反电动势冲击而不易损坏另外高CMRR共模抑制比意味着它能有效“屏蔽”高达70V的共模电压只精确放大采样电阻上微弱的差模信号这对于存在PWM调速等快速共模电压变化的应用至关重要普通运放组成的电路很难达到这个性能AD8418能够在采样电阻上进行双向或单向的电流检测在很多应用中电流方向是会改变的AD8418能够适配负载单向供电也可满足电机能量回馈、电池充放电等电流方向发生反转的工况一套硬件兼容两种电流流向拓展电路适用场景②假定负载电流变化1A那么RS2两端的电压差就是变化25mV而AD8418的增益为20由此可计算得出负载电流每增加/减小1A对应AD8418的输出电压增加0.5V。③经过电流检测放大器放大后的电压信号将被送入OPA2365的电压跟随器该电路中OPA2365的电压放大倍数为1只起到阻抗匹配、缓冲隔离的作用电压跟随器具有高输入阻抗和低输出阻抗特性能够实现信号的缓冲。④经过缓冲处理的信号最终送入单片机的ADC输入单片机程序对其进行数值转换即可得到实际电流值。3在实际使用中如果对精度要求较高可选择更高精度的元件和电压基准源。3、集成数字功率计1INA229制造商Texas Instruments是一款高精度低功耗数字功率监测芯片可以简化系统的设计复杂度不需要自己设计信号电路。2下图所示的是使用INA229进行电流采样的电路原理图外围电路只需一颗采样电阻和几颗电容在设计硬件时只需配置采样电阻RS3设计软件时通过SPI接口即可直接读取电流、母线电压、功率等参数值。①假定负载电流为1A那么RS3两端的电压差就是10mVINA229的9号和10号引脚直接采集该电压差根据配置转换得出对应的电流值。②单片机可通过INA229的SPI接口直接获取实际电流值。4、霍尔电流传感器1除了使用采样电阻还可使用霍尔电流传感器采集电流如ACS758LCB-050B制造商Allegro MicroSystems。2下图所示的是使用ACS758LCB-050B进行电流采样的电路原理图。①当负载没有电流时ACS758LCB-050B的输出电压为0.5VCC当负载电流方向为正时ACS758LCB-050B的输出电压往VCC靠近电流值越大输出电压越接近VCC当负载电流方向为负时ACS758LCB-050B的输出电压往0V靠近电流值越大输出电压越接近0V具体数值关系可参考数据手册。②ACS758LCB-050B输出的电压信号直接送入单片机的ADC输入单片机程序对其进行数值转换即可得到实际电流值。
