设计目标

设计说明

此低功耗低侧双向电流检测方案使用两个毫微功耗零漂移放大器 (LPV821) 和一个带有集成精密基准的微功耗比较器 (TLV3012)。该电路非常适合需要精确监控充电电流和系统电流的电池供电型设备。U1 和 U2 的增益是独立设置的。

如应用电路所示，在 R_SENSE 两端异相连接 LPV821 放大器来放大相反极性的电流。放大器 U2 线性放大充电（正）电流，而放大器 U1 线性放大系统（负）电流。U2 在监测正电流时，U1 将其输出端接地。同样，在 U1 监测负电流时，U2 将其输出端接地。在由 U1 或 U2 提供接地基准的同时，通过电阻器 R₇ 和 R₈ 对放大器输出进行或运算，从而产生可由比较器监测到的单个输出电压。

如果系统中已有稳压电源或基准，可以用毫微功耗比较器（例如 TLV7031）来代替 TLV3012。而且，如果充电电流和系统电流的幅度相等，可以将放大器 U1 和 U2 的增益设为彼此相等。即使放大器的增益相等，对放大器输出进行或运算也可以让一个比较器检测充电电流和系统电流的过流情况。

设计说明

1. 利用精密电阻器并设置 R₁ = R₃、R₂ = R₄ 且 R₇ = R₈，从而更大限度降低误差。
2. 选择 R_SENSE，从而尽可能地减小最大电流时的电压降，并在监测最小电流水平时减少放大器偏移误差。
3. 选择放大器增益，使 COMP_IN 在充电电流和系统电流达到临界水平时达到 1.242V，并避免放大器超出其线性范围。

设计步骤

1. 在 R₁ = R₃、R₂ = R₄ 且 R₇ = R₈ 的情况下，确定传递方程。

   反相路径：

   $\mathrm{COMP\_IN}=-{\mathrm{I}}_{\mathrm{G}1}\times {\mathrm{R}}_{\mathrm{SENSE}}\times \left(-\frac{{\mathrm{R}}_6}{{\mathrm{R}}_5}\right)\times \left(\frac{{\mathrm{R}}_8}{{\mathrm{R}}_7+{\mathrm{R}}_8}\right)$

   同相路径：

   $\mathrm{COMP\_IN}={\mathrm{I}}_{\mathrm{G}1}\times {\mathrm{R}}_{\mathrm{SENSE}}\times \left(\frac{{\mathrm{R}}_4}{{\mathrm{R}}_3 + {\mathrm{R}}_4}\right)\times \left(\frac{{\mathrm{R}}_1 + {\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_1}\right)\times \left(\frac{{\mathrm{R}}_7}{{\mathrm{R}}_7+{\mathrm{R}}_8}\right)$
2. 假定以 1A 电流充电时最大电压降 (V_SENSE) 为 100mV 并且最低系统电流为 10mA，在此情况下，选择 SENSE 电阻值。
   $$\begin{gathered} {\mathrm{R}}_{\mathrm{SENSE}}\left(\max \right)=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{SENSE}} \left(\max \right)}{{\mathrm{I}}_{\mathrm{G}1} \left(\max \right)}=\frac{100 \mathrm{mV}}{1\mathrm{A}}=100 \mathrm{m\Omega } \\ \mathrm{with} {\mathrm{I}}_{\mathrm{G}1}\left(\min \right)=10\mathrm{mA}, {\mathrm{V}}_{\mathrm{SENSE}}=10\mathrm{mA}\times 100\mathrm{m\Omega }=1 \mathrm{mV}>>\mathrm{VOS}\left(\max \right)=10\mu \mathrm{V} \end{gathered}$$
3. 选择用于或运算的电阻器 R₇ 和 R₈ 来生成 COMP_IN。
   1. 在 R₇ =R₈ 的情况下，将相等衰减系数 2 应用于比较器的输入。应选择较大值，从而最大限度减小来自放大器输出的电流消耗。
   2. 验证 COMP_IN 的电压时，必须特别小心。由于 R₇ 和 R₈ 是大阻抗值，所以示波器探头的输入阻抗或数字电压表的输入会改变测量的电压。常见的探头和电压表输入阻抗为 10MΩ，这会使测量的信号衰减。
      $$\begin{gathered} {\mathrm{R}}_7={\mathrm{R}}_8=2.49\mathrm{M\Omega }, \\ \mathrm{COMP\_IN}=(\mathrm{VOUT\_Inv} \mathrm{or} \mathrm{VOUT\_NonInv})÷2 \end{gathered}$$
4. 选择放大器增益，使 COMP_IN 在电流达到临界阈值时达到 1.242V。
   $\mathrm{Gain}=\frac{2\times Comparator REF}{{\mathrm{R}}_{SENSE}\times \left|{\mathrm{I}}_{G1} \left(max\right)\right|}$
   $$\begin{gathered} \mathrm{Gain} \left(Inv\right)=\frac{2\times 1.242}{0.1\times (-0.\mathrm{1)}}=\frac{{\mathrm{(-R}}_{\mathrm{6)}}}{{\mathrm{R}}_5}\approx -249\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}} \\ \mathrm{Gain} \left(NonInv\right)=\frac{2\times 1.242}{0.1\times 1.0}=\frac{{\mathrm{R}}_4}{{\mathrm{R}}_3+{\mathrm{R}}_4}\times \frac{{\mathrm{R}}_1+{\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_1}\approx 24.9\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}} \end{gathered}$$

设计仿真

直流仿真结果 (VOUT_Inv)

瞬态仿真结果 (VOUT_Inv)

直流仿真结果 (VOUT_NonInv)

瞬态仿真结果 (VOUT_NonInv)

技术手册和博客参考

德州仪器 (TI)，将毫微功耗零漂移放大器用于手机电池监控所具有的优势，应用手册

德州仪器 (TI)，无中性点照明开关中的电流检测，技术简介

德州仪器 (TI)，由锂离子电池供电的个人电子产品中的 GPIO 引脚电源信号链，应用简介

设计特色运算放大器

设计备选运算放大器