设计目标

设计说明

某些 MSP430™ 微控制器 (MCU) 包含可配置的集成信号链元件，例如运算放大器、DAC 和可编程增益级。这些组件组成了一个称为智能模拟组合 (SAC) 的外设。有关 SAC 的不同类型以及如何利用其可配置模拟信号链功能的信息，请访问 MSP430 MCU 智能模拟组合培训。要开始设计，请下载低侧双向电流检测设计文件。

该单电源低侧双向电流检测解决方案可以精确地检测 –1A 至 1A 的负载电流。输出的线性范围为 100mV 至 3.2V。低侧电流感应可以保持共模电压接近于接地值，因此特别适用于总线电压高的应用。此设计利用了 MSP430FR2355 MCU 中四个集成运算放大器模块 (SAC) 中的两个模块。其中一个 SAC_L3 外设配置为通用运算放大器，以放大分流电阻两端的电压，而另一个配置为缓冲器，以提供偏置电压 (Vref)。后一个 SAC_L3 块也可以配置为 DAC 缓冲模式以提供 Vref，从而取代外部分压器电路。该电路的输出可以从内部或外部连接到 MSP430FR2355 MCU 中的其他集成外设。例如，模数转换器 (ADC) 窗口比较器可以周期性地对该输出进行采样（无需 CPU 干预），并在信号超过阈值时触发中断。

设计说明

• 为了最大程度地减少误差，设置 R₃ = R₁ 且 R₄ = R₂。
• 使用精密电阻器以实现更高的精度。
• 根据线性输出摆幅设置输出范围（请参阅 A_ol 规格）。
• 在系统负载无法承受小型接地干扰或需要检测负载短路的应用中，请勿使用低侧检测。
• 在上面的示意图中，MSP430FR2355 MCU (U1) 中的第一个 SAC_L3 外设配置为通用模式。第二个 SAC_L3 外设 (U2) 也配置为通用模式，但带有一个外部分压器。
• 为 U2 使用 DAC 缓冲器配置（如低侧双向电流检测设计文件 中的代码示例所示）来提供 Vref，而不是使用外部分压器电路。
• 该方案也可以使用 MSP430FR2311 器件来实现，方法是为 U1 使用内部跨阻放大器，对 U2 使用 SAC_L1 运算放大器。
• 低侧双向电流检测设计文件 包含如何正确初始化 SAC 外设的代码示例。

设计步骤

1. 确定传递方程，其中 R₄ = R₂ 且 R₁ = R₃。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{o}}=\left({\mathrm{I}}_{\mathrm{i}}\times {\mathrm{R}}_{\mathrm{shunt}}\times \frac{{\mathrm{R}}_4}{{\mathrm{R}}_3}\right)+{\mathrm{V}}_{\mathrm{ref}}$
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{ref}}={\mathrm{V}}_{\mathrm{cc}}\times \left(\frac{{\mathrm{R}}_6}{{\mathrm{R}}_5+{\mathrm{R}}_6}\right)$
2. 确定最大分流电阻。
   ${\mathrm{R}}_{\mathrm{shunt}}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{shunt}}}{{\mathrm{I}}_{\mathrm{imax}}}=\frac{100\mathrm{mV}}{1 \mathrm{A}}=100\mathrm{m\Omega }$
3. 设置基准电压。由于输入电流范围是对称的，因此请将基准设置为 1/2 Vs。因此，使 R₅ 和 R₆ 的值相等。
   ${\mathrm{R}}_5={\mathrm{R}}_6=10\mathrm{k\Omega }$
4. 根据运算放大器输出摆幅设置差分放大器增益。在电源为 3.3V 的情况下，运算放大器输出能够从 100mV 摆动至 3.2V。
   $\mathrm{Gain}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{oMax}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{oMin}}}{{\mathrm{R}}_{\mathrm{shunt}}\times \left({\mathrm{I}}_{\mathrm{iMax}}-{\mathrm{I}}_{\mathrm{iMin}}\right)}=\frac{3.2\mathrm{V}-100\mathrm{mV}}{100\mathrm{m\Omega }\times \left(1 \mathrm{A}-\left(-1 \mathrm{A}\right)\right)}=15.5\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}$
   $\mathrm{Gain}=\frac{{\mathrm{R}}_4}{{\mathrm{R}}_3}=15.5\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}$

设计仿真

直流仿真结果

闭环交流仿真结果

瞬态仿真结果

目标应用

• 电机驱动器
• 伺服驱动器功能安全模块
• 电池充电器
• 电池组：无线电动工具
• 混合动力汽车/电动汽车电池管理系统 (BMS)

设计参考资料

1. 德州仪器 (TI)，MSP430 低侧双向电流检测电路，代码示例和 SPICE 仿真文件
2. 德州仪器 (TI)，具有 3.75KB FRAM、运算放大器、TIA、具有 DAC 的比较器、10 位 ADC 的 16MHz 集成模拟微控制器，产品页面
3. 德州仪器 (TI)，MSP430 MCU 智能模拟组合培训，视频

设计特色运算放大器

设计备选运算放大器

MSP430 相关电路

低噪声、远距离 PIR 传感器调节器电路	桥式放大器电路	跨阻放大器电路
单电源、低侧、单向电流检测电路	带有分立式差分放大器的高侧电流检测电路	低侧双向电流检测电路
半波整流器电路	通过 NTC 热敏电阻电路检测温度	通过 PTC 热敏电阻电路检测温度