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，请下载单电源、低侧、单向电流感应电路设计文件。

此单电源、低侧、电流感应解决方案可以精确地检测高达 1A 的负载电流，并将其转换为 100mV 至 2.25V 的电压。该电路在同相放大器配置中使用了 MSP430FR2311 SAC_L1 运算放大器。通过使用 MSP430FR2355 SAC_L3 外设中的可编程增益级块，可将反馈电阻梯（R2 和 R3）集成到 MCU 中，从而实现进一步集成。可以根据需要调节输入电流范围和输出电压范围，并且可以使用更大的电源来适应更大的摆幅。二级运算放大器的输出可以直接通过板载 ADC 采样或通过板载比较器进行监测，以在 MCU 内部进行进一步处理。

设计说明

• 运算放大器工作在线性输出范围内，这个参数通常在芯片手册的测试条件中给出。
• 共模电压等于输入电压。
• 分流电阻器和反馈电阻器的容差将决定电路的增益误差。
• 避免将容性负载直接放置在放大器的输出端，以最大限度地减少稳定性问题。
• 使用高阻值电阻器可能会减小放大器的相位裕度并在电路中引入额外的噪声。
• 此电路的小信号带宽取决于电路的增益和放大器的增益带宽积 (GBP)。
• 可以通过添加一个与 R₃ 并联的电容器来完成滤波。如果使用了高阻值电阻器，那么添加一个与 R₃ 并联的电容器还可提高电路的稳定性。
• 如果该解决方案是通过 MSP430FR2355 SAC_L3 实现的，则运算放大器可以配置为同相可编程增益放大器模式或带有外部 R2 和 R3 无源器件的通用模式来测量电流感应电路。
• 如果该解决方案是通过 MSP430FR2311 实现的，则可以通过 SAC_L1 运算放大器或跨阻放大器 (TIA) 来实现该运算放大器，以测量电流感应电路。
• MSP430FR2355中的增强型参考模块可以通过调节参考电压至2.5V来调节ADC的测量范围，以更精确地测量电流感应AFE地输出。
• 单电源、低侧、单向电流感应电路设计文件包含如何正确初始化 SAC 外设的参考程序。

设计步骤

下面给出了该电路的传递函数。

1. 定义满量程分流电压并计算最大分流电阻。
${\mathrm{V}}_{\mathrm{iMax}}=\text{250 }\mathrm{mV} ( {\mathrm{I}}_{\mathrm{iMax}}=\text{1 }\mathrm{A)}$
${\mathrm{R}}_1=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{iMax}}}{{\mathrm{I}}_{\mathrm{iMax}}}=\frac{\text{250 }\mathrm{mV}}{\text{1 }\mathrm{A}}=\text{250 }\mathrm{m}\Omega$
2. 计算最大线性输出电压所需的增益。
${\mathrm{V}}_{\mathrm{iMax}}=\text{250 }\mathrm{mV} \mathrm{and} {\mathrm{V}}_{\mathrm{oMax}}=2.25\mathrm{V}$
$\text{Gain}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{oMax}}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{iMax}}}=\frac{\text{2.25 }\mathrm{V}}{\text{250 }\mathrm{mV}}=9\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}$
3. 为 R₂ 和 R₃ 选择标准值。

假设 R₂ = 715Ω（0.1% 标准值）

Equation 1. $\text{Gain}=9\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}} = 1 +\hspace{0.17em}\frac{R_3}{R_2}$
Equation 2. $R_3=(9 \frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}} -1) * R_2 = 8 * 715 \Omega = 5.72 k\Omega$

选择 R₃ = 5.69kΩ（0.1% 标准值）

注：反馈电阻梯（R₂ 和 R₃）可使用 SAC_L3 的集成可编程增益电阻梯实现，编程同相增益为 9x。MSP430FR2355 参考程序演示了此实现。如果 SAC 运算放大器在通用模式下使用，则外部电阻器将用于构建反馈电阻器梯。

4. 计算达到输出摆幅至轨限制前的最小输入电流。I_iMin 表示可准确检测到的最小输入电流。
${\mathrm{V}}_{\mathrm{oMin}}=100\mathrm{mV}; {\mathrm{R}}_1=\text{250 }\mathrm{m}\Omega$
$\mathrm{ }{\mathrm{V}}_{\mathrm{iMin}}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{oMin}}}{\text{Gain}}=\frac{\text{100}\mathrm{mV}}{\text{9 }\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}}=11\text{.1 }\mathrm{mV}$
${\mathrm{I}}_{\mathrm{iMin}}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{iMin}}}{{\mathrm{R}}_1}=\frac{\text{11.1 }\mathrm{mV}}{\text{250 }\mathrm{m}\Omega }=44.4\mathrm{mA}$
5. 计算满量程范围误差和相对误差。V_os 是数据表中的典型偏移电压。
${\mathrm{FSR}}_{\mathrm{error}}=\left(\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{os}}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{iMax}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{iMin}}}\right)\times 100=\left(\frac{\text{5 }\mathrm{mV}}{\text{238.9 }\mathrm{mV}}\right)\times 100=2.09\%$
${\text{Relative Error at I}}_{\text{iMax}}=\mathrm{ }\left(\frac{{\text{V}}_{os}}{{\text{V}}_{\text{iMax}}}\right)\text{×100}=\mathrm{ }\left(\frac{\text{5 }\mathrm{mV}}{\text{250 }\mathrm{mV}}\right)\text{×100}=2\%$
${\text{Relative Error at I}}_{\text{iMin}}=\mathrm{ }\left(\frac{{\text{V}}_{\text{os}}}{{\text{V}}_{\text{iMin}}}\right)\text{×100}=\mathrm{ }\left(\frac{\text{5 }\mathrm{mV}}{\text{11.1m}\mathrm{V}}\right)\text{×100}=45\%$
6. 为了保持足够的相位裕度，应确保器件的增益设置电阻器和输入电容生成的零点大于电路的带宽
$\frac{\text{1}}{{\text{2×π×(C}}_{\text{cm}}{\text{+C}}_{\text{diff}}){\text{×(R}}_{\text{2}}{\text{||R}}_{\text{3}}\text{)}}\text{> }\frac{\text{GBP}}{\text{G}}$
$\frac{\text{1}}{\text{2×π×(3pF+3pF)×}\left(\frac{\text{715Ω×5.69} \text{kΩ}}{\text{715Ω+5.69kΩ}}\right)}\text{>}\mathrm{ }\frac{\text{4}\mathrm{MHz}}{\text{9}{\displaystyle \frac{V}{V}}}=41.76\mathrm{MHz}\text{> 444.4}\mathrm{kHz}$

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 照明
• 电网基础设施

参考文献

1. MSP430 单电源、低侧、单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

设计特色运算放大器

设计备选运算放大器

MSP430 相关电路