设计目标

设计说明

一些应用需要使用电路来测量小标称电流，同时承受高短路电流，例如断路器。本电路设计文档介绍了一种隔离式电流检测电路，可以准确测量 ±10mA 至 ±10A 的标称负载电流，同时可承受高达 ±200A 的短路电流。对于该电路，假设输出与 3.3V 单端 ADC（例如集成到 MSP430 中的 ADC）一起使用。被测线路电流与 ADC 之间的隔离是使用隔离放大器 (AMC1302) 实现的。在使用 1mΩ 分流电阻器的情况下，预期的最小标称电流会产生 ±10µV 信号，由于 Δ-Σ 调制器死区，该信号太小而无法在零电压输入附近被准确解析。为了解决此问题，电路可使用一个 2 通道运算放大器 (TLV9002) 以 5V/V 的增益将信号放大并将共模电压设置为 1V；这不仅能使最小标称电流脱离死区，而且能使最大标称电流达到隔离放大器的满量程线性输入范围。隔离放大器的满量程线性输入范围为 ±50mV，差分输出摆幅为 ±2.05V，输出共模电压为 1.44V，内部固定增益为 41V/V。在隔离放大器的输出侧，使用了第二个 2 通道运算放大器 (TLV9002)，其中第一个通道用于将单端共模电压设置为 1.65V，第二个通道用于将隔离放大器的差分输出信号转换为可与 3.3V 单端 ADC 一起使用的单端信号。

设计步骤

1. 根据最大标称电流确定相应的分流电阻器值。
   $R_{SHUNT} = \frac{V_{inMax}}{I_{inMax}} = \frac{50mV}{10A} = 5 m\Omega$
2. 由于该分流电阻器必须能够承受 200A 的短路电流，因此进一步将分流电阻器的电阻降低为原来的五分之一，这在步骤 6 中得到了补偿。确定最大标称电流工作期间的分流电阻器功率耗散。
   ${Power R}_{SHUNT} = {I_{inMax}}^2 \times R_{SHUNT} = 100 A^2 \times 1 m\Omega = 0.1 W$

   确定最小标称电流工作期间的分流电阻器功率耗散。

   ${Power R}_{SHUNT} = {I_{inMin}}^2 \times R_{SHUNT} = 0.1 {mA}^2 \times 1 m\mathrm{\Omega } = 0.1 \mu W$
3. 确定短路期间的分流电阻器功率耗散。请务必验证所选的短期过载规格（通常为标称值的 5 倍）是否能够承受短路耗散的功率。
   ${Power R}_{SHUNT} = {I_{inShort}}^2 \times R_{SHUNT} = \mathrm{40,000} A^2 \times 1 m\mathrm{\Omega } = 40 W$

   选择功耗降低为原来的五分之一的分流电阻器。因此，如果短期过载要求为 40W，则分流 P_dissipation = 8W。有关更多详细信息，请参阅隔离式电流检测的设计注意事项 模拟设计期刊。

4. TLV9002_IN 的通道 1 用于设置 TLV9002_IN 通道 2 的单端输出的 1V 共模电压。通道 1 的 1V 输出也被发送到 AMC1302 的正输入端。在使用 5V 电源的情况下，可以使用一个简单的电阻分压器将 5V 分压为 1V。在使用 4kΩ 的 R₁ 时，可以通过以下公式计算 R₂。
   $R_2 = \frac{V_{CM} \times R_1}{V_{DD} - V_{CM}} = \frac{1.00 V \times 4000 \mathrm{\Omega }}{5.00 V - 1.00 V} = 1000 \mathrm{\Omega }$
5. TLV9002_IN 的通道 2 用于放大分流电阻器的电压，以便在测量最大标称电流范围时利用 AMC1302 的满量程输入电压范围。对于 1mΩ 的分流电阻器和 ±10A 的最大标称电流，分流电阻器的输出电压为 ±10mV。由于 AMC1302 的最大输入电压为 ±50mV，必须以 5V/V 的增益放大分流电阻器的输出。在保持 R3|R4 为 1kΩ 的同时，可以通过以下公式计算 R5|R6 的电阻值。
   $Gain \left(\raisebox{1ex}{$V$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$V$}\right.\right)=\frac{R_{\mathrm{5,6}}}{R_{\mathrm{3,4}}} ;{ R}_{\mathrm{5,6}}=Gain \left(\raisebox{1ex}{$V$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$V$}\right.\right) \times R_{\mathrm{3,4}}=5 \raisebox{1ex}{$V$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$V$}\right. \times 1 k\mathrm{\Omega }=5 k\mathrm{\Omega }$
6. 根据所选的分流电阻器，验证在短路期间是否未违反 AMC1302 输入的绝对最大电压限制。200A 短路电流会在 AMC1302 上施加 1V 的差分电压。由于输入共模被设置为 1V，因此相对于 GND1，AMC1302 的负输入端上会施加最大 2V 的电压。
   $V_{inAMC} = 200 A \times 0.001 \mathrm{\Omega }\mathrm{ }\times \mathrm{ }5\mathrm{ }\raisebox{1ex}{$V$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$V$}\right. = 1 V$

   AMC1302 的绝对最大输入电压比高侧电源电压高 500mV（如 AMC1302 精密、±50mV 输入、增强型隔离放大器 数据表中所述）。在使用 5V 高侧电源电压时，不会违反绝对最大输入电压额定值。

7. TLV9002_OUT 的通道 1 用于设置 TLV9002_OUT 通道 2 的单端输出的 1.65V 共模电压。在使用 3.3V 电源的情况下，可以使用一个简单的电阻分压器将 3.3V 分压为 1.65V。在使用 1kΩ 的 R₇ 时，可以通过以下公式计算 R₈。
   $R_8 = \frac{V_{CM} \times R_7}{V_{DD} - V_{CM}} = \frac{1.65 V \times 1000 \mathrm{\Omega }}{3.3 V - 1.65 V} = 1000 \mathrm{\Omega }$
8. 虽然 TLV9002 是轨至轨运算放大器，但 TLV9002 的输出最多只能相对于电源轨摆动 55mV。因此，TLV9002_OUT 的单端输出摆动范围为 55mV 至 3.245V (3.19V_pk-pk)。
9. AMC1302 的 V_OUTP 和 V_OUTN 输出为 2.05V_pk-pk，具有 180 度的相位差，共模电压为 1.44V。因此，差分输出为 ±2.05V 或 4.1V_pk-pk。

   为了保持在 TLV9002_OUT 的输出限制范围内，AMC1302 的输出需要衰减为原来的 3.2/4.1。当 R₉ = R₁₀ 且 R₁₁ = R₁₂ 时，可以使用差分转单端级的以下传递函数来计算 R₁₁ 和 R₁₂。

   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{O}\mathrm{U}\mathrm{T}}=\mathrm{ }\left({\mathrm{V}}_{OUTP}-{\mathrm{V}}_{OUTN}\right)\times \left(\frac{{\mathrm{R}}_{\mathrm{11,12}}}{{\mathrm{R}}_{\mathrm{9,10}}}\right)+{\mathrm{V}}_{\mathrm{C}\mathrm{M}}\mathrm{ }$
10. 通过使用之前计算的 TLV9002_OUT 输出摆幅并将 R₉ 和 R₁₀ 设置为 10kΩ，可以使用以下公式计算得出 R₁₁ 和 R₁₂ 为 7.8kΩ。
    $3.2=\mathrm{ }\left(2.465\mathrm{V}-415\mathrm{m}\mathrm{V}\right)\times \left(\frac{{\mathrm{R}}_{\mathrm{11,12}}}{10k\mathrm{\Omega }}\right)+1.65$

    在使用标准的 0.1% 电阻值时，可以使用 7.8kΩ 电阻器。这提供了 TLV9002 限制范围内的最大输出摆幅。

11. 电容器 C₁ 和 C₂ 与电阻器 R₁₁ 和 R₁₂ 并联放置，可限制高频信号。当 R₁₁ = R₁₂ 且 C₁ = C₂ 时，可以通过以下公式计算截止频率。
    ${\mathrm{f}}_{\mathrm{c}}=\mathrm{ }\frac{1}{2\times \mathrm{\pi }\times {\mathrm{R}}_{\mathrm{11,12}}\times {\mathrm{C}}_{\mathrm{1,2}}}$

    当 C₁ = C₂ = 1nF 且 R₁₁ = R₁₂ = 7800Ω 时，可以计算得出截止频率为 20.414kHz。

    ${\mathrm{f}}_{\mathrm{c}}=\mathrm{ }\frac{1}{2\times \mathrm{\pi }\times 7800\mathrm{\Omega }\times 1\mathrm{n}\mathrm{F}}=20.414\mathrm{k}\mathrm{H}\mathrm{z}$

设计仿真

直流仿真结果

图 24 仿真结果展示了分流器电压的仿真直流特性、AMC1302 的差分输入/输出以及 TLV9002 放大器的单端输出（–10A 至 10A）。

仿真结果

短路事件仿真 通过演示输入和输出如何在 ±200A 下做出反应，显示了短路事件期间的电路仿真。穿过图形的红线和蓝线标记了 AMC1302 的输出开始削波的点。从该点开始，电路的目的是在发生短路事件后继续运行。在 部分中，选择了适当的 AMC1302 高侧增益和分流电阻值以避免在该事件期间造成损坏。以下仿真验证了这些选择：在短路事件中进入 AMC1302 的最大输入电压为 ±1V，低于该器件的绝对最大额定值。因此，仿真确认电路在短路事件过去后继续运行。

短路事件仿真

正弦波仿真结果

正弦波仿真 正弦波模拟展示了分流器的输出、AMC1302 的差分输入和输出以及 TLV9002 响应正弦波的单端输出（振幅为 –10A 至 10A）。AMC1302 的差分输出为 ±2.05V_pk-pk，与预期相符，单端输出为 3.19V_pk-pk，摆动范围为 55mV 至 3.245V。

正弦波仿真

设计采用的隔离式放大器

设计备选隔离式放大器