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，例如可编程增益级的运算放大器（PGA）和数字模拟转化器（DAC）。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。开始设计之前，请下载高侧电流感应电路设计文件。

此单电源高侧低成本电流感应解决方案可以检测 25mA 和 300mA 之间的负载电流，并将其转换为 0.25V 至 3V 的输出电压。高侧感应使系统能够识别接地短路，并且不会对负载造成接地干扰。该电路在通用模式 下使用 MSP430FR2311 SAC_L1 运算放大器，并将 OAx+ 和 OAx- 专用为同相和反相输入。同样的方法也可以在 MSP430FR2355 上实现，它有四个 SAC_L3 外设，具有额外的内置 DAC 和 PGA 功能。集成式 SAC 运算放大器的输出可以直接通过片内 ADC 采样或通过片内比较器进行监测，以在 MCU 内部进行进一步处理。

设计说明

• 直流共模抑制比 (CMRR) 性能取决于增益设置电阻器 R₂-R₅ 的匹配情况。
• 增大分流电阻器的值会增加功耗。
• 确保共模电压处于放大器的线性输入运行区域内。共模电压由 R₂、R₃ 和总线电压构成的电阻分压器设置。根据电阻分压器确定的共模电压，此应用可能不需要轨至轨输入 (RRI) 放大器。
• 不具有可扩展至 V_cc 的共模电压范围的运算放大器可用在低增益或衰减配置中。
• 与反馈电阻器并联放置的电容器将限制带宽、提高稳定性并有助于降低噪声。
• 在线性输出运行区域内使用运算放大器。通常在 A_OL 测试条件下指定线性输出摆幅。
• 如果该解决方案是通过 MSP430FR2311 SAC_L1 或 MSP430FR2355 SAC_L3 实现的，则运算放大器需配置为通用模式。
• 如果使用 MSP430FR2311 TIA 实现该解决方案，则输入电压范围限制为 V_CC/2，因此必须相应地调整增益或范围。
• 高侧电流感应电路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. 下面提供了电路的完整传递函数。
$$\begin{gathered} V o = I in × R1 × R5 R4 \\ Given R2 = R4 and R3 = R5 \\ \end{gathered}$$
2. 计算最大分流电阻。将最大分流电压设置为 60mV。
R1 = V iMax I iMax = 60 mV 300 mA =200 m Ω
3. 计算增益以设置最大输出摆幅范围。
Gain = V oMax - V oMin ( I iMax - I iMin ) × R1 = 3 V -0.25 V (0 .3 A -0.025 A ) ×200 m Ω =50 V V
4. 计算增益设置电阻器以设置步骤 3 中计算的增益。
$$\begin{gathered} Choose R2 = R4 =1 .01 k Ω ( Standard value ) \\ R3 = R5 = R2 × Gain =1 .01 k Ω ×50 V V =50 .5 k Ω ( Standard value ) \end{gathered}$$
5. 计算放大器的共模电压以确保以线性模式运行。
V cm = V CC × R3 R2 + R3 =3 .3 V × 50.5 k 1.01 k +50.5 k =3 .235 V
6. 截止频率上限 (f_H) 取决于此电路的同相增益（噪声增益）和运算放大器的增益带宽 (GBW)。
f H = GBW Noise Gain = 4 MHz 51 V V =78 .43 kHz

设计仿真

直流仿真结果

交流仿真结果

目标 应用

• 无线电动工具电池组
• 电动自行车、电动踏板车电池组
• 电机驱动器
• LED 灯具
• 电网基础设施

参考文献

1. 高侧电感应电路设计文件
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

设计特色运算放大器

设计备选运算放大器

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