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电流检测电路设计,工程师选择哪个方案更好?

2020-7-14 14:27:47 显示全部楼层
与工程师一起,谈一谈电流检测功能的电路设计方案

本文由【芯片哥】原创撰写,来源:今日头条

工程师,在研发设计电路项目时,依据需要实现的功能指标,进行详细的电路方案开发与验证;面对项目的功能电路研发,工程师一般采用的做法是化整为零,化繁为简,也就是将项目的需要实现的整体功能逐一分解拆散,拆散成众多的小功能。例如
  • 电磁炉项目,工程师可以将其拆散成按键检测功能、数码管显示功能、线圈加热功能、AC-DC功能、线圈驱动功能、风扇散热功能等等;
  • 智能马桶盖项目,工程师可以将其拆散成DC-DC功能、座圈加热功能、位置调节功能、水压调节功能、LCD显示功能、蓝牙功能等等;
  • 电动晾衣架项目,工程师可以将其拆散成红外遥控功能、电机驱动功能、LED驱动功能、LDO电源功能、声音提示功能、过载保护功能等等;
电路项目

在将项目的整体功能拆散成众多的小功能后,工程师就可以根据每一个小功能,开发出对应的电路解决方案,形成
电路设计方案A,解决了小功能A的研发需求;
电路设计方案B,解决了小功能B的研发需求;
电路设计方案C,解决了小功能C的研发需求;
以此类推......
项目需求分解拆散图

最后将这些电路设计方案A、电路设计方案B、电路设计方案C等等通过一定的逻辑关系组合,构成完整的项目方案原理设计。
无论项目方案如何设计,工程师都了解,在电路方案设计中,存在一个重要的参数,也就是电流参数;
除了电流参数,电路中还存在另外三个重要的参数,电压参数、功率参数与时间频率参数。
衡量电路的一些工作状态,就可以通过电流参数的检测获得。比如
  • 三极管的放大倍数,工程师可以通过检测三极管的基级电流与集电极电流获得;
  • LED灯的亮度,工程师可以通过检测流过LED灯的电流获得;
  • 加热电阻丝的温度,工程师可以通过检测加热电阻丝的电流获得;
换言之,项目的工作状态判断,工程师可以利用检测项目中的电流参数等这些数据分析得出。如何检测这些电路中的电流参数,就成为工程师必须要解决的问题了。
怎么检测项目电路中的电流参数呢?这需要从项目的原始电路方案设计过程中去寻找。
既然项目的设计需求可以被分解拆散成众多的小功能A、小功能B、小功能C等等,工程师就能据此确定被检测的电流参数是在哪一个小功能电路中,举例说明
项目系统电流分配图

检测电机的工作电流,工程师需要确定项目中的电机是处于小功能A中的Ia,还是小功能B中的Ib,亦或是小功能C中的Ic,还是系统电源中的电流I。
不同电路的电流检测,其设计方案也不相同,电路中的电流大致可以细分为两个类别
类别一:小功能A的电流Ia,小功能B的电流Ib,小功能C的电流Ic
类别二:项目系统电源的电流I
电流Ia、Ib与Ic之所以能归纳成一个相同的类别,主要是因为电流Ia、Ib与Ic在电路结构中,是处于独立分支的工作状态,电流Ia、电流Ib与电流Ic的检测互不影响互不干涉,也就是工程师在检测电流Ia的时候,不需要检测电流Ib或者电流Ic;检测电流Ib的时候,不需要检测电流Ia或者Ic;检测电流Ic的时候,不需要检测电流Ia或者电流Ic。
与之相反,项目系统电源的电流I,其检测的电路方案设计则需要兼顾电流Ia、电流Ib与电流Ic。为什么会出现这种特殊现象呢?为什么检测系统电源的电流I还需要兼顾小功能电路中的电流Ia、电流Ib与电流Ic呢?工程师是时候回顾一下电路中的基尔霍夫定律了,它会告诉答案
系统电源电流I = 电流Ia + 电流Ib + 电流Ic
针对电路中这两个类别的电流,工程师该如何去检测呢?如何设计电流检测功能的电路方案呢?同样地,电路中的电流被分为两个类别,与之对应的检测方案,也分为两个
方案一:电阻电压ADC采集方案
方案二:电阻电压运算放大方案

电阻电压ADC采集方案
电流,经过电阻,在其两端会产生一个压降差----欧姆定律
通过检测电路中的电阻R两端的电压U,依据电阻的电路特性,电流I = 电压U / 电阻R,工程师就可以间接检测出电路中的电流。
电阻电压ADC采集方案图

在电阻电压ADC采集方案图中,由于电路的串联关系,流入电阻R的电流是等于Ia,也就是被检测的电流参数。
当被检测电流Ia流入电阻R,电阻R两端产生一个压降差Ur,由于电阻R的右端直接连接到GND地线(0V),电阻R的左端连接ADC采集端,因此ADC采集的电压也就为电阻R两端的电压Ur。电压Ur通过ADC采集分析处理后,工程师便可以精确地得知检测的电流Ia,Ia = Ur / R。
这就是电阻电压ADC采集方案,电流Ib与电流Ic的检测方案与电流Ia原理类似。
电阻电压ADC采集方案,虽然能实现工程师检测电路中的电流,但也存在一些优缺点
(1)电阻电压ADC采集方案优点
工程师在进行项目电路设计的时候,首选的是电路简洁、稳定可靠、成本低廉、较容易实现的方案。电阻电压ADC采集方案,工程师仅仅通过在电路中串联一个电阻R,不需要经过复杂的电路设计、采用高昂的设计成本,就能实现电流I的检测,非常符合首选方案的要求。
(2)电阻电压ADC采集方案缺点
电阻电压ADC采集方案,虽能帮助工程师实现电流的检测目的,但并非项目系统电路中的电流都能通过此方案检测。在电阻电压ADC采集方案图中,显而易见,检测电路中的电流Ia、电流Ib与电流Ic没有问题,可以分别检测;但若检测电流I,工程师则需要通过同时检测电流Ia、电流Ib与电流Ic,同时设计三个检测电路,同时处理三个电流采集数据,才能依据电流I = 电流Ia + 电流Ib + 电流Ic关系式间接确定电流I的检测,电路设计冗余复杂。
因此电阻电压ADC采集方案,适合电路中的电路Ia、电流Ib与电流Ic这种类似属性的电流检测,对于类似项目系统电流I的电流检测,则显得不是非常适合,不是最优方案。

电阻电压运算放大方案

电阻电压ADC采集方案,不适合项目系统电流I的检测,那工程师该如何去解决这个问题呢?如何去设计其相应的电路检测方案呢?有没有另外一种电路设计方案能实现呢?
当然有,答案是电阻电压运算放大方案。
电阻电压运算放大方案,是利用运算放大器的电压放大作用,将微弱的电压信号进行放大处理,送至ADC采集分析计算;与电阻电压ADC采集方案不同之处,在于采样电阻R的电压处理方式不同。
项目系统电流检测图

流过电阻R的电流I,是等于项目系统的电流。工程师运用电阻电压运算放大方案,通过测量电阻R两端的压降差,进而求得流过电阻R的电流I,最终可达到检测项目系统的电流功能目的。
电阻电压运算放大方案,具体是如何检测电路中电流功能的呢?方案设计的关键在于工程师选用的运算放大器芯片,它的性能直接影响电流检测的精度与准确度。
MPS高精度运算放大器MP8110芯片,一个专用于电流检测功能电路的芯片,适合在电流检测功能的研发项目上。工程师在具体的电路方案应用上,首先需要对MP8110芯片做个基本的了解。
MP8110运算放大器芯片的基本电路特性
(a)MP8110芯片引脚定义
MP8110芯片引脚定义图

  • Pin 1引脚SHDN:芯片关断控制引脚,高电平有效,即SHDN引脚为高电平时,芯片不工作;
  • Pin 2引脚NC:不需要连接的引脚;
  • Pin 3引脚RG1:输入电压放大倍数控制引脚,调节连接在RG1引脚的电阻阻值,控制芯片的放大 倍数,通常此引脚连接在采样电阻R电流方向的左端;
  • Pin 4引脚GND:芯片的参考地引脚;
  • Pin 5引脚OUT1:芯片的放大倍数输出电压引脚,适合阻性负载电路;
  • Pin 6引脚RG2:与Pin 3引脚RG1功能类似,区别在于此引脚连接在采样电阻R电流方向的右端;
  • Pin 7引脚VCC:芯片的工作电源电压引脚;
  • Pin 8引脚OUT2:芯片的放大倍数输出电压引脚,适合感性负载电路;
由于MP8110芯片在电流检测的功能电路应用中,被检测的对象为电阻,属于阻性负载,非感性负载,因此工程师在具体电路设计的过程中,只需使用MP8110芯片的Pin 5引脚OUT1功能,不需要Pin 8引脚OUT2的电路功能。
(b)MP8110芯片应用电路图
工程师在初步了解MP8110高精度运算放大器芯片引脚定义后,接下来的工作便是根据其电路特性设计相应的项目应用电路图
MP8110芯片应用电路图

在MP8110芯片应用电路图中,Rs电阻为采样电阻,作为电流I检测的功能电阻;RG1、RG2电阻与RGS电阻的阻值选择,设定了运算放大器的电压放大倍数,也就是芯片OUT1引脚的输出电压与Rs电阻两端的电压两者之间的比例关系,表现为
Vout1 = I * Rs * (RGS / RG1)
在电路开发中,为了ADC采集电路计算被检测的电流,MP8110芯片的OUT1引脚输出端直接与ADC采集端连接。举例说明
若被检测的电流大约为4A,采样电阻Rs取值为50mΩ,RG1电阻与RG2电阻取值为2KΩ,RGS电阻取值为20KΩ,MP8110芯片的OUT1引脚输出电压Vout1 = 0.5 * I;也就是MP8110芯片的OUT1引脚输出的电压与检测的电流关系为 Vout1 = 0.5 * I,工程师通过ADC采集功能,分析计算得出Vout1电压,即可完成电流I的检测功能。
电阻电压运算放大方案,虽能较好地实现了电路中的电流检测功能,存在优点之处,同样也存在一些不足之处
01 电阻电压运算放大方案优点
无论是小功能电路中的电流,还是项目系统的电流,电阻电压运算放大方案均能实现对其电流的检测功能;
02 电阻电压运算放大方案缺点
电路设计复杂,调试难度较大,设计成本高昂;

最后的总结
在电流检测功能的电路设计中,综合比较电阻电压ADC采集方案与电阻电压运算放大方案,工程师的选择:
如若被检测的电流I,是处于独立的小功能电路中,与其他小功能的电路电流不存在关系,工程师则优先选用电阻电压ADC采集方案,因为电路设计简单,设计成本低廉;
如若被检测的电流I,是处于项目系统的电源电路中,与其他电路中的电流存在一些叠加关系,工程师则优先选用电阻电压运算放大方案,因为选择电阻电压ADC采集方案则至少需要设计2个检测电路,最后通过相应的叠加关系计算才能得出最后被检测的电流,这样就增加了电路的计算难度,而选择电阻电压运算放大方案,则只需要设计1个检测电路即可;

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