需要控制電機的應用通常包含某種類型的電流感應電路。感應通過電機電流的能力可以幫助設計師根據電機電流狀態做出如速度之類的調整。
例如，在無人機的應用中，每個控制螺旋槳的電機通常使用低側電流感應電路，操控無人機在空中行進、停留或上升。在鉆機和往復鋸等電動工具中，低側電流感應根據用戶按動扳機的力度來控制工具的速度。這些產品通常需要成本敏感型設計，因為這些產品面對消費者市場。在這篇博文中，我將介紹如何為成本敏感型應用設計低側電流感應電路。
在設計低側電流感應電路時，高性價比的方法之一是使用非反相配置運算放大器（op amp）。圖1是使用運算放大器的典型低側電流感應電路原理圖。
圖1：低側電流感應原理圖
公式1用于計算圖1中的電流傳遞函數：
其中 
圖1中所示的低側電流感應電路設計過程分為三個簡單的步驟：
1. 計算最大分流電阻。當來自負載（ILOAD）的電流流過分流電阻器（RSHUNT）時，分流電阻器上會形成一個電壓電位（VSHUNT）。VSHUNT被視為系統負載的“接地端”。因此，建議將VSHUN的最大負載電流保持在100mV以下，以避免在與其它具有真正0V接地的系統連接時出現問題。公式2用于計算RSHUNT值：
圖1中所示的低側電流感應電路設計過程分為三個簡單的步驟：
1. 計算最大分流電阻。當來自負載（ILOAD）的電流流過分流電阻器（RSHUNT）時，分流電阻器上會形成一個電壓電位（VSHUNT）。VSHUNT被視為系統負載的“接地端”。因此，建議將VSHUN的最大負載電流保持在100mV以下，以避免在與其它具有真正0V接地的系統連接時出現問題。公式2用于計算RSHUNT值：
(2)2. 計算放大器的增益。運算放大器放大VSHUNT以產生VOUT_MIN到VOUT_MAX的輸出電壓擺幅，其中VOUT_MIN 和VOUT_MAX分別是放大器的最小和最大輸出擺幅極限。公式3用于計算放大器產生所需的輸出擺幅的增益：
(3)公式4用于計算放大器反饋網絡中的電阻RF和RG的大小，以此來設置公式3中計算出的增益：
(4)3. 選擇運算放大器。在低側電流感應應用中，如果電流是雙向的，共模電壓可以處于或低于地電位；因此，放大器的輸入共模電壓范圍必須處于或低于地電位。TLV9062是一款高性能通用放大器，專為成本敏感型的應用而設計，其輸入共模電壓范圍可低至地電位。
TLV906x系列高性能通用放大器可用于成本敏感型的低側電流感應系統，因為其增益帶寬（10MHz）、壓擺率（6.5V/µs）、偏移電壓（0.3mV）以及輸入共模電壓范圍為負電源電壓以下100mV。表1列出了一些TLV906x系列的技術參數。
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參數 |
規格 |
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電源電壓范圍((V+)-(V-)) |
1.8V至5.5V |
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靜態電流 |
538µA |
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增益帶寬積(GBP) |
10MHz |
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輸入電壓噪聲 |
10nV/√Hz |
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壓擺率 |
6.5V/µs |
|
偏移電壓 |
0.3mV |
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輸入偏置流 |
0.5pA |
|
輸入共模電壓 |
(V-)-100mV至(V+)+100mV |
圖2顯示了0A至0.5A低側電流感應電路的最終組件值，其計算請參照上述步驟1至3。
圖 2：0A至0.5A的低側電流感應原理圖
諸如無人機和電動工具等應用需要成本敏感型的低側電流感應解決方案來控制電機。在這篇文章中，我將電路設計簡化為三個簡單步驟：確定最大分流電阻，計算產生最大輸出擺幅的放大器增益以及選擇放大器。在下一篇文章中，我將討論如何為低側電流感應電路設計印刷電路板（PCB）。
其它資源
• 使用0-1A單電源低側電流感應解決方案快速開始設計。
• 觀看視頻 “TI高精度實驗室 – 運算放大器：輸入和輸出限制。”
