设计仿真

• 输入和输出范围

  下图显示了 2.49kΩ (R3) 电阻器上的输出电压。根据以下公式计算误差：

  

  理想情况下，当负载电流 (I_load) 在 0A 至 10A 之间摆动时，V_out 在 0V 至 5V 之间摆动。但是，V_out 的最小值为 373mV，并且在负载电流 (I_load) 上升至 735mV 之前是非线性的。

  

• 功耗

  以下仿真和计算显示了具有不同负载电流的电路中每个元件的功耗。在不考虑 R_shunt 功耗的情况下，总功耗为 471.4mW 至 651.3mW。R2 决定了功耗。

  
  
• 带宽

  下图显示了电路的增益，其中增益 = V_out (V) / I_load (A)。负载电容为 15pF 时，1% 的全功率带宽和 3dB 带宽为 478kHz 和 3.8MHz。

  
• 稳定性分析

  通过测量系统的相位裕度并应用小信号瞬态阶跃响应来验证系统的稳定性。为了确保稳定性，在 AOL 曲线与 1/β 交点处测量的相位裕度需要至少为 45 度。

  如以下原理图所示，在反馈回路中添加了一个 1μF 电容器以提高稳定性。以下开环交流仿真在输入处断环，并使用以下公式来绘制相关曲线：

  
  

  上图显示了频域仿真结果。相位裕度是在 1/ꞵ 和 AOL 交点处测量的，为 58.3 度，表示系统稳定。

  为了进一步确保稳定性，在电路的输入端 (IG1) 上施加了小信号瞬态阶跃响应，并在 Vo 上测量过冲百分比。下图中的过冲表示相位裕度为 59 度，进一步确认了系统的稳定性。

  
  

• 故障分析
  警告： 如果 LMP7704-SP 运算放大器损坏且 PMOS 栅极悬空，则可能会损坏微控制器或 ADC。

  有必要在 PMOS 栅极前放置一个 10kΩ 的上拉电阻 (R1)，以上拉 PMOS 栅极并保护 ADC 或微控制器。

  另一个故障考虑因素是运算放大器 (LMP7704-sp) 是否会被 100V V_bus 损坏。要对其进行仿真，需要在 V_bus 上施加 100V 的峰峰值方波。请参阅下图中的仿真结果。

  

  V_bus 和 VEE 之间的差值 V_opamp 始终低于 4.933V。LMP7704 专为高达 12V 的电源而设计，因此不会损坏。在仿真中，负载电流设置为 5A。正如预期的那样，V_out 被仿真为大约 2.5V。

• 误差计算

  要分析电路的输出误差，需要使用以下参数

  • Vos：运算放大器失调电压误差 (V)
  • Vos_drift：温漂 (V/°C)
  • CMRR：共模抑制比 (dB)
  • PSRR：电源抑制比 (dB)
  • temp：温度 (°C)
  • Vcm_sys：共模电压 (V)，此应用中为 5V
  • Vcm_ds：数据表中用于测试的共模电压 (V)。
  • R1：R6 电阻值 (Ω)
  • R_shunt：分流电阻器值 (Ω)
  • Rshunt_tol：分流电阻器容差 (%)
  • TC_shunt：分流电阻器温度系数 (ppm/°C)
  • I_load：输出电流 (A)
  • I_b：输入偏置电流 (A)
  • R1_tol：R6 电阻器容差 (%)
  • TC1：R6 电阻器温度系数 (ppm/°C)
  • R2_tol：R3 电阻器容差 (%)
  • TC2：R3 电阻器温度系数 (ppm/°C)

  失调电压误差：

  

  CMRR 误差：

  

  PSRR 误差：

  

  分流电阻器误差：

  

  电阻器（R3 和 R6）误差：

  

  偏置电流误差：

  

  平方根 (RSS) 总误差：

  

  极值分析 (EVA)：

  

在 MATLAB 中执行了之前的误差公式，仿真结果如下图所示。

当负载电流为 1A 时，RSS 为 0.658%。此 RSS 满足 0.7% 的误差要求。右侧还提供了 EVA 图作为参考。

先前的结果是在 R_shunt 设置为 10mΩ 的情况下计算得出的。当负载电流为 1A 时，运算放大器 Vos 决定了误差。当负载电流为 10A 时，分流电阻容差决定了误差。

通过 TINA-TI^TM 仿真再次验证先前的误差计算，结果如下图所示。

使用以下公式计算百分比误差。

如仿真所示，当负载电流为 1A 时，误差为 0.63%。该误差与之前 MATLAB 计算中 0.6% 的 Vos 误差一致。TINA-TI^TM 不对由电阻器容差和分流电阻器上温度变化引起的误差进行仿真。