如何設(shè)計(jì)高性能低側(cè)電流感應(yīng)設(shè)計(jì)中的印刷電路板？

圖1　低側(cè)電流感應(yīng)原理圖

在本篇文章中，將介紹如何使用應(yīng)用印刷電路板(PCB)技術(shù)，采用一款微型運(yùn)算放大器(Op amp)來設(shè)計(jì)精確的、低成本的低側(cè)電流感應(yīng)電路。

圖1是低側(cè)電流感應(yīng)電路原理圖，使用的是TLV9061超小型運(yùn)算放大器。

公式(1)是計(jì)算圖1所示電路的傳遞函數(shù)：

Vout=ILOAD×RSHUNT×Gain

(1)

其中Gain=1+RF/RG。

精確的低側(cè)電流感應(yīng)設(shè)計(jì)對印刷電路板的設(shè)計(jì)有兩大要求。首先要確保分流電阻直接連接到放大器的同相輸入端和RG的接地端，這通常被稱為“開爾文接法”(Kelvin connection)。如果不使用開爾文接法，會產(chǎn)生與分流電阻串聯(lián)的寄生電阻，導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生增益誤差。圖2顯示了系統(tǒng)中寄生電阻的位置。

公式(2)是計(jì)算圖2中電路的傳遞函數(shù)：

Vout=ILOAD×(RSHUNT+RSTRAY)×Gain

(2)

第二個設(shè)計(jì)要求是要將電阻RG的接地端盡可能地靠近分流電阻的接地端。當(dāng)電流流過印刷電路板的接地層時，接地層上會產(chǎn)生壓降，致使印刷電路板上不同位置的接地層電壓出現(xiàn)差異，這會使系統(tǒng)出現(xiàn)偏移電壓。在圖3中，連接到RG的地面電壓源符號代表了地電位的不同。

圖2　與分流電阻串聯(lián)的寄生電阻

圖3　接地層電壓差異

公式(3)是計(jì)算圖3所示電路的傳遞函數(shù)：

(3)

圖4顯示了正確的印刷電路板布局示意圖。

圖4　正確的布局示意圖

圖5展示了適合低側(cè)電流感應(yīng)設(shè)計(jì)的印刷電路板布局。頂層是紅色，底層是藍(lán)色的。印刷電路板布局中的R5和C1指示負(fù)載電阻和去耦電容應(yīng)該放置的位置。

圖5　正確的低側(cè)電流感應(yīng)印刷電路板布局

需要注意的是，從分流電阻發(fā)出的軌跡線使用開爾文接法且RG盡可能靠近分流電阻，能夠使用小型(0.8 mm×0.8 mm)5引腳X2SON封裝的TLV9061運(yùn)算放大器將所有無源器件放置在頂層分流電阻的兩個焊盤之間?？梢詮倪@里方便地將底層的分流電阻線路穿過通孔與頂層的同相引腳和RG連接起來。