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。这些元件组成了一个称为智能模拟组合 (SAC) 的外设。有关 SAC 的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感应电路设计文件。

此单电源低侧双向电流感应解决方案可准确检测 –1A 到 1A 的负载电流。输出的线性范围为 100mV 至 3.2V。低侧电流感应可保持共模电压接近地电平，因此在总线电压大的 应用 中最有用。此设计利用了 MSP430FR2355 MCU 中四个集成运算放大器块 (SAC) 中的其中两个模块。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。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

• 为了最大程度地降低误差，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）。
• 不应在系统负载 无法 承受小接地干扰的应用或需要检测负载短路的 应用 中使用低侧检测。
• 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。
• 建议为 U2 使用 DAC 缓冲器配置（如低侧双向电流感应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。
• 该解决方案也可以使用 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。
• 低侧双向电流感应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. 在 R₄ = R₂ 且 R₁ = R₃ 的情况下确定传递方程。
${\mathrm{V}}_{\mathrm{o}}=\left({\mathrm{I}}_{\mathrm{i}}\times {\mathrm{R}}_{\mathrm{shunt}}\times \frac{{\mathrm{R}}_4}{{\mathrm{R}}_3}\right)+{\mathrm{V}}_{\mathrm{ref}}$
${\mathrm{V}}_{\mathrm{ref}}={\mathrm{V}}_{\mathrm{cc}}\times \left(\frac{{\mathrm{R}}_6}{{\mathrm{R}}_5+{\mathrm{R}}_6}\right)$
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。
   1. 由于输入电流范围是对称的，因此应将基准设置为 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，运算放大器输出可以从 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

商用电池充电器

电池包：无绳充电式电动工具

电池包：电动自行车/电动踏板车/轻型电动车辆 (LEV)

设计参考资料

1. MSP430 低侧双向电流感应电路代码示例和 SPICE 仿真文件
2. 《模拟工程师电路设计指导手册》
3. MSP430FR2311 TINA-TI Spice 模型
4. MSP430 MCU 智能模拟组合培训

设计首选运算放大器

设计备选运算放大器

MSP430 相关电路