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          與工程師一起,談一談電流檢測功能的電路設計方案

          作者: 時間:2024-06-17 來源:芯片哥 收藏

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202406/459936.htm

          工程師,在研發(fā)設計電路項目時,依據需要實現的功能指標,進行詳細的電路方案開發(fā)與驗證;面對項目的功能電路研發(fā),工程師一般采用的做法是化整為零,化繁為簡,也就是將項目的需要實現的整體功能逐一分解拆散,拆散成眾多的小功能。例如

          • 電磁爐項目,工程師可以將其拆散成按鍵檢測功能、數碼管顯示功能、線圈加熱功能、AC-DC功能、線圈驅動功能、風扇散熱功能等等;

          • 智能馬桶蓋項目,工程師可以將其拆散成DC-DC功能、座圈加熱功能、位置調節(jié)功能、水壓調節(jié)功能、LCD顯示功能、藍牙功能等等;

          • 電動晾衣架項目,工程師可以將其拆散成紅外遙控功能、電機驅動功能、LED驅動功能、LDO電源功能、聲音提示功能、過載保護功能等等;

          電路項目

          在將項目的整體功能拆散成眾多的小功能后,工程師就可以根據每一個小功能,開發(fā)出對應的電路解決方案,形成

          方案A,解決了小功能A的研發(fā)需求;

          方案B,解決了小功能B的研發(fā)需求;

          方案C,解決了小功能C的研發(fā)需求;

          以此類推......

          項目需求分解拆散圖

          最后將這些電路設計方案A、電路設計方案B、電路設計方案C等等通過一定的邏輯關系組合,構成完整的項目方案原理設計。

          無論項目方案如何設計,工程師都了解,在電路方案設計中,存在一個重要的參數,也就是電流參數;

          除了電流參數,電路中還存在另外三個重要的參數,電壓參數、功率參數與時間頻率參數。

          衡量電路的一些工作狀態(tài),就可以通過電流參數的檢測獲得。比如

          • 三極管的放大倍數,工程師可以通過檢測三極管的基級電流與集電極電流獲得;

          • LED燈的亮度,工程師可以通過檢測流過LED燈的電流獲得;

          • 加熱電阻絲的溫度,工程師可以通過檢測加熱電阻絲的電流獲得;

          換言之,項目的工作狀態(tài)判斷,工程師可以利用檢測項目中的電流參數等這些數據分析得出。如何檢測這些電路中的電流參數,就成為工程師必須要解決的問題了。

          怎么檢測項目電路中的電流參數呢?這需要從項目的原始電路方案設計過程中去尋找。

          既然項目的設計需求可以被分解拆散成眾多的小功能A、小功能B、小功能C等等,工程師就能據此確定被檢測的電流參數是在哪一個小功能電路中,舉例說明

          項目系統(tǒng)電流分配圖

          檢測電機的工作電流,工程師需要確定項目中的電機是處于小功能A中的Ia,還是小功能B中的Ib,亦或是小功能C中的Ic,還是系統(tǒng)電源中的電流I。

          不同電路的電流檢測,其設計方案也不相同,電路中的電流大致可以細分為兩個類別

          類別一:小功能A的電流Ia,小功能B的電流Ib,小功能C的電流Ic

          類別二:項目系統(tǒng)電源的電流I

          電流Ia、Ib與Ic之所以能歸納成一個相同的類別,主要是因為電流Ia、Ib與Ic在電路結構中,是處于獨立分支的工作狀態(tài),電流Ia、電流Ib與電流Ic的檢測互不影響互不干涉,也就是工程師在檢測電流Ia的時候,不需要檢測電流Ib或者電流Ic;檢測電流Ib的時候,不需要檢測電流Ia或者Ic;檢測電流Ic的時候,不需要檢測電流Ia或者電流Ic。

          與之相反,項目系統(tǒng)電源的電流I,其檢測的電路方案設計則需要兼顧電流Ia、電流Ib與電流Ic。為什么會出現這種特殊現象呢?為什么檢測系統(tǒng)電源的電流I還需要兼顧小功能電路中的電流Ia、電流Ib與電流Ic呢?工程師是時候回顧一下電路中的基爾霍夫定律了,它會告訴答案

          系統(tǒng)電源電流I = 電流Ia + 電流Ib + 電流Ic

          針對電路中這兩個類別的電流,工程師該如何去檢測呢?如何設計電流檢測功能的電路方案呢?同樣地,電路中的電流被分為兩個類別,與之對應的檢測方案,也分為兩個

          方案一:電阻電壓ADC采集方案

          方案二:電阻電壓運算放大方案

          電阻電壓ADC采集方案

          電流,經過電阻,在其兩端會產生一個壓降差----歐姆定律

          通過檢測電路中的電阻R兩端的電壓U,依據電阻的電路特性,電流I = 電壓U / 電阻R,工程師就可以間接檢測出電路中的電流。

          電阻電壓ADC采集方案圖

          在電阻電壓ADC采集方案圖中,由于電路的串聯(lián)關系,流入電阻R的電流是等于Ia,也就是被檢測的電流參數。

          當被檢測電流Ia流入電阻R,電阻R兩端產生一個壓降差Ur,由于電阻R的右端直接連接到GND地線(0V),電阻R的左端連接ADC采集端,因此ADC采集的電壓也就為電阻R兩端的電壓Ur。電壓Ur通過ADC采集分析處理后,工程師便可以精確地得知檢測的電流Ia,Ia = Ur / R。

          這就是電阻電壓ADC采集方案,電流Ib與電流Ic的檢測方案與電流Ia原理類似。

          電阻電壓ADC采集方案,雖然能實現工程師檢測電路中的電流,但也存在一些優(yōu)缺點

          (1)電阻電壓ADC采集方案優(yōu)點

          工程師在進行項目電路設計的時候,首選的是電路簡潔、穩(wěn)定可靠、成本低廉、較容易實現的方案。電阻電壓ADC采集方案,工程師僅僅通過在電路中串聯(lián)一個電阻R,不需要經過復雜的電路設計、采用高昂的設計成本,就能實現電流I的檢測,非常符合首選方案的要求。

          (2)電阻電壓ADC采集方案缺點

          電阻電壓ADC采集方案,雖能幫助工程師實現電流的檢測目的,但并非項目系統(tǒng)電路中的電流都能通過此方案檢測。在電阻電壓ADC采集方案圖中,顯而易見,檢測電路中的電流Ia、電流Ib與電流Ic沒有問題,可以分別檢測;但若檢測電流I,工程師則需要通過同時檢測電流Ia、電流Ib與電流Ic,同時設計三個檢測電路,同時處理三個電流采集數據,才能依據電流I = 電流Ia + 電流Ib + 電流Ic關系式間接確定電流I的檢測,電路設計冗余復雜。

          因此電阻電壓ADC采集方案,適合電路中的電路Ia、電流Ib與電流Ic這種類似屬性的電流檢測,對于類似項目系統(tǒng)電流I的電流檢測,則顯得不是非常適合,不是最優(yōu)方案。

          電阻電壓運算放大方案

          電阻電壓ADC采集方案,不適合項目系統(tǒng)電流I的檢測,那工程師該如何去解決這個問題呢?如何去設計其相應的方案呢?有沒有另外一種電路設計方案能實現呢?

          當然有,答案是電阻電壓運算放大方案。

          電阻電壓運算放大方案,是利用運算放大器的電壓放大作用,將微弱的電壓信號進行放大處理,送至ADC采集分析計算;與電阻電壓ADC采集方案不同之處,在于采樣電阻R的電壓處理方式不同。

          項目系統(tǒng)電流檢測圖

          流過電阻R的電流I,是等于項目系統(tǒng)的電流。工程師運用電阻電壓運算放大方案,通過測量電阻R兩端的壓降差,進而求得流過電阻R的電流I,最終可達到檢測項目系統(tǒng)的電流功能目的。

          電阻電壓運算放大方案,具體是如何檢測電路中電流功能的呢?方案設計的關鍵在于工程師選用的運算放大器芯片,它的性能直接影響電流檢測的精度與準確度。

          MPS高精度運算放大器MP8110芯片,一個專用于電流檢測功能電路的芯片,適合在電流檢測功能的研發(fā)項目上。工程師在具體的電路方案應用上,首先需要對MP8110芯片做個基本的了解。

          MP8110運算放大器芯片的基本電路特性

          (a)MP8110芯片引腳定義

          MP8110芯片引腳定義圖

          • Pin 1引腳SHDN:芯片關斷控制引腳,高電平有效,即SHDN引腳為高電平時,芯片不工作;

          • Pin 2引腳NC:不需要連接的引腳;

          • Pin 3引腳RG1:輸入電壓放大倍數控制引腳,調節(jié)連接在RG1引腳的電阻阻值,控制芯片的放大 倍數,通常此引腳連接在采樣電阻R電流方向的左端;

          • Pin 4引腳GND:芯片的參考地引腳;

          • Pin 5引腳OUT1:芯片的放大倍數輸出電壓引腳,適合阻性負載電路;

          • Pin 6引腳RG2:與Pin 3引腳RG1功能類似,區(qū)別在于此引腳連接在采樣電阻R電流方向的右端;

          • Pin 7引腳VCC:芯片的工作電源電壓引腳;

          • Pin 8引腳OUT2:芯片的放大倍數輸出電壓引腳,適合感性負載電路;

          由于MP8110芯片在電流檢測的功能電路應用中,被檢測的對象為電阻,屬于阻性負載,非感性負載,因此工程師在具體電路設計的過程中,只需使用MP8110芯片的Pin 5引腳OUT1功能,不需要Pin 8引腳OUT2的電路功能。

          (b)MP8110芯片應用電路圖

          工程師在初步了解MP8110高精度運算放大器芯片引腳定義后,接下來的工作便是根據其電路特性設計相應的項目應用電路圖

          MP8110芯片應用電路圖

          在MP8110芯片應用電路圖中,Rs電阻為采樣電阻,作為電流I檢測的功能電阻;RG1、RG2電阻與RGS電阻的阻值選擇,設定了運算放大器的電壓放大倍數,也就是芯片OUT1引腳的輸出電壓與Rs電阻兩端的電壓兩者之間的比例關系,表現為

          Vout1 = I * Rs * (RGS / RG1)

          在電路開發(fā)中,為了ADC采集電路計算被檢測的電流,MP8110芯片的OUT1引腳輸出端直接與ADC采集端連接。舉例說明

          若被檢測的電流大約為4A,采樣電阻Rs取值為50mΩ,RG1電阻與RG2電阻取值為2KΩ,RGS電阻取值為20KΩ,MP8110芯片的OUT1引腳輸出電壓Vout1 = 0.5 * I;也就是MP8110芯片的OUT1引腳輸出的電壓與檢測的電流關系為 Vout1 = 0.5 * I,工程師通過ADC采集功能,分析計算得出Vout1電壓,即可完成電流I的檢測功能。

          電阻電壓運算放大方案,雖能較好地實現了電路中的電流檢測功能,存在優(yōu)點之處,同樣也存在一些不足之處

          01 電阻電壓運算放大方案優(yōu)點

          無論是小功能電路中的電流,還是項目系統(tǒng)的電流,電阻電壓運算放大方案均能實現對其電流的檢測功能;

          02 電阻電壓運算放大方案缺點

          電路設計復雜,調試難度較大,設計成本高昂;

          最后的總結

          在電流檢測功能的電路設計中,綜合比較電阻電壓ADC采集方案與電阻電壓運算放大方案,工程師的選擇:

          如若被檢測的電流I,是處于獨立的小功能電路中,與其他小功能的電路電流不存在關系,工程師則優(yōu)先選用電阻電壓ADC采集方案,因為電路設計簡單,設計成本低廉;

          如若被檢測的電流I,是處于項目系統(tǒng)的電源電路中,與其他電路中的電流存在一些疊加關系,工程師則優(yōu)先選用電阻電壓運算放大方案,因為選擇電阻電壓ADC采集方案則至少需要設計2個檢測電路,最后通過相應的疊加關系計算才能得出最后被檢測的電流,這樣就增加了電路的計算難度,而選擇電阻電壓運算放大方案,則只需要設計1個檢測電路即可;



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