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，请查看 MSP430 MCU 智能模拟组合培训 视频。要开始设计，请下载单电源、低侧、单向电流检测电路设计文件。

此单电源、低侧电流检测解决方案可以准确地检测最大为 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 MSP430FR2311 运算放大器。通过使用 MSP430FR2355 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。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{iMax}}=\text{250 }\mathrm{mV} \mathrm{at} {\mathrm{I}}_{\mathrm{iMax}}=\text{1 }\mathrm{A}$
   ${\mathrm{R}}_1=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{iMax}}}{{\mathrm{I}}_{\mathrm{iMax}}}=\frac{\text{250 }\mathrm{mV}}{\text{1 }\mathrm{A}}=\text{250 }\mathrm{m}\Omega$
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）

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

   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 代码示例 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 是数据表中的典型失调电压。
   ${\mathrm{FSR}}_{\mathrm{error}}=\left(\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{os}}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{iMax}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{iMin}}}\right)\times 100=\left(\frac{\text{5 }\mathrm{mV}}{\text{238.9 }\mathrm{mV}}\right)\times 100=2.09\%$
   ${\text{Relative Error at I}}_{\text{iMax}}=\mathrm{ }\left(\frac{{\text{V}}_{os}}{{\text{V}}_{\text{iMax}}}\right)\text{×100}=\mathrm{ }\left(\frac{\text{5 }\mathrm{mV}}{\text{250 }\mathrm{mV}}\right)\text{×100}=2\%$
   ${\text{Relative Error at I}}_{\text{iMin}}=\mathrm{ }\left(\frac{{\text{V}}_{\text{os}}}{{\text{V}}_{\text{iMin}}}\right)\text{×100}=\mathrm{ }\left(\frac{\text{5 }\mathrm{mV}}{\text{11.1 m}\mathrm{V}}\right)\text{×100}=45\%$
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
   $\frac{\text{1}}{{\text{2×π×(C}}_{\text{cm}}{\text{+C}}_{\text{diff}}){\text{×(R}}_{\text{2}}{\text{||R}}_{\text{3}}\text{)}}\text{> }\frac{\text{GBP}}{\text{G}}$
   $\frac{\text{1}}{\text{2×π×(3pF+3pF)×}\left(\frac{\text{715 Ω×5.69} \text{kΩ}}{\text{715 Ω+5.69 kΩ}}\right)}\text{>}\mathrm{ }\frac{\text{4 }\mathrm{MHz}}{\text{9 }{\displaystyle \frac{V}{V}}}=41.76\mathrm{MHz}\text{ > 444.4 }\mathrm{kHz}$

设计仿真

直流仿真结果

交流仿真结果

目标应用

• 无线电动工具电池包
• 混合动力汽车/电动汽车电池管理系统 (BMS)
• 电机驱动器
• 照明
• 能源基础设施

参考资料

1. 德州仪器 (TI)，MSP430 单电源、低侧、单向电流检测电路，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，视频

设计特色运算放大器

设计备选运算放大器

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