【无刷电机学习】电流采样电路硬件方案

【仅作自学记录，不出于任何商业目的】

目录

AD8210

INA282

INA240

INA199

---

AD8210

【AD8210数据手册】

        在典型应用中，AD8210放大由负载电流通过分流电阻产生的小差分输入电压。AD8210抑制高共模电压(高达65V)，并提供接地参考缓冲输出，与模数转换器(ADC)接口。
        AD8210由两个主要模块组成，一个差分放大器和一个仪表放大器。负载电流流经外部分流电阻，在AD8210的输入端产生电压。输入端通过R1和R2连接到差分放大器(A1)。A1通过Q1和Q2来调节经过R1和R2的电流，以消除其自身输入端出现的电压。当AD8210的输入信号为0V时，R1和R2的电流相等。当差分信号非零时，电流通过一个电阻增大，另一个电阻减小。电流差与输入信号的大小和极性成正比。

        通过Q1和Q2的差分电流通过R3和R4转换成差分电压。A2配置为仪表放大器。差分电压通过A2转换成单端输出电压。增益通过精密的微调薄膜电阻器设置为 20 V/V。

        输出参考电压可以通过VREF1引脚和VREF2引脚轻松调节。典型配置中，VREF1接Vcc，VREF2接GND。在这种情况下，当输入信号为0V时，输出为Vcc/2。

        Figure 27为AD8210的简化原理图：

        第十八届智能车负压电磁组哈尔滨工业大学利用该方案，搭建其无刷风扇驱动板（驱动芯片采用FD6288Q）的电流检测电路：

        AD8210的一个典型应用是作为h桥电机控制回路的一部分。在这种情况下，AD8210被放置在h桥的中间（见Figure 36）。当h桥开关和电机改变方向时，AD8210测量两个方向的电流。此时，AD8210的输出配置为外部参考双向模式（External Reference Bidirectional Mode）。

【双向模式（Bidirectional Operation）】

        双向操作允许AD8210在两个方向上测量通过电阻分流的电流。输出偏移量可以在输出范围内的任何地方设置。通常情况下，它被设置在一半的尺度，在两个方向上的测量范围相等。然而，在某些情况下，当双向电流不对称时，它被设置在半标度以外的电压。

• External Reference Output（外部参考输出）

        当没有差分输入时，将两个VREF引脚连接到外部参考电压上，会在参考电压处产生输出偏置（参见Figure 30）。当输入相对于-IN引脚为负时，输出从参考电压向下移动。当输入相对于-IN引脚为正时，输出增加。

INA282

【INA282数据手册】

        包括 INA282，INA283，INA284，INA285，和 INA286 器件在内的 INA282 系列是电压输出电流并联监控器，此监控器能够感测共模电压上 -14V 至 +80V 的压降，与电源电压无关。 零漂移架构的低偏移使得电流感测在整个分流器上的最大压降低至 10mV 的满量程。

        Figure 32显示了 INA282 系列器件的基本连接。输入引脚 +IN 和 -IN，应该被连接到尽可能靠近分流电阻器的位置以大大减少任何与分流电阻串联的电阻值。图中左下表格可知，INA282对差分输入的信号具有50倍固定增益的放大输出。

        下图解释了一个针对基准分频器精度的测试电路。INA282系列的输出可被连接用于单向或者双向运转。

        请注意，无论 REF1 引脚还是 REF2 引脚都不可以被连接至任何低于 GND 或者高于 V+ 的电压源，并且有效基准电压 (REF1+REF2)/2 必须为 9V 或者更低。这个参数意味着 Figure 35显示的 V+ 基准输出连接不支持大于 9V 的 V+。然而，Figure 37显示的分离电源基准连接支持所有高达 18V 的 V+ 值。 

        全国大学生电子设计竞赛(四)--双极性跟踪可调精密直流电源的设计一文中，利用INA282和采样电阻搭建电压电流采样电路：“采样电阻Rs选用温漂小、稳定性好的康铜丝，与负载串联接于系统输出端，它的两端分别通过RC滤波器接于INA282的IN+和IN-引脚。INA282将流过采样电阻的电流信号转化为电压信号，经过RC滤波器，送入AD采样电路中进行采样处理”，相应原理图如下：

【单向运行】

        单向运转使得 INA282 能够测量从一个方向流经一个阻性分路的电流。在单向运行的情况下，当差分输入为 0V 时，输出可被设定在负电源轨（近接地，并且为最常见的连接）或者被正电源轨（近 V+）上。当采用一个正确的极性差分输入电压时，输出移动到相对的电源轨。

        差分输入所需的极性取决于输出电压设置。如果输出被设定在正电源轨，输入极性必须为负以将输出向下移动。 如果输出被设定在接地上，则极性为正以将输出向上移动。下面的部分描述了如何为单向运行配置输出：

• 以接地为基准的输出

        当在这个模式中使用 INA282 时，两个基准输入都被连接至接地；当输入上有 0V 差分电压时，这个配置将输出带到负电源轨（如Figure 34所示）。此时，输出电压 = 50 × 采样电阻电压。

• V+ 基准输出

        当两个基准引脚都被连接至正电源时，这个模式被设定。这个模式通常当一个诊断机制要求功率被应用到负载之前 检测放大器和接线时使用（如Figure 35所示）。

           基于stm32的恒功率无线充电一文中，采用INA282的双向运行模式进行电流测量：

        说明：无论是单向还是双向采集都会有温漂等影响，在运用到工程中前，应该多测量几组数据，拟合出曲线后，计算出校正系数，将校正系数运用到微控制器的处理中，这样得到的数据会更加精确。（摘自：【硬件设计】INA282电流采集电路 - 知乎）

【双向运转】

        双向运转使得 INA282 系列能够测量在两个方向上流经阻性分路的电流。在这个情况下，可在基准输入所允许的限值内的任一位置设定输出（即，0V 到 9V，但是不要超过电源电压）。通常，它在两个方向上被设定为等值半量程。在一些情况下，当双向电流不对称时，它被设定为半量程之外的电压值。

        通过将电压应用到基准输入上，可设定静态输出电压。 REF1 和 REF2 被连接至与一个内部偏移节点相连的内部电阻器上。这两个引脚之间没有操作差异。

• 外部基准输出

        当没有差分输入时，将两个引脚接在一起并连接至一个基准会在基准电压上产生一个输出。当输入相对于 -IN 引脚为负值时，输出从基准电压向下移动，而当输入相对于 -IN 引脚为正值时，向上移动。请注意，这个技术是将输出偏置到一个精确电压的最准确的方法。

• 分离电源

        如Figure 37所示，通过将一个基准引脚连接至 V+ ，并将其余引脚连接到接地引脚。当没有差分输入时，输出被设定为电源的一半。这个方法创建了一个与电源电压成比例的中量程偏移；如果电源增加或者减少，输出保持在电源的一半。此时，输出电压 = 50 × 采样电阻电压 + V / 2。

• 分离一个外部基准

        在这个情况下，通过将一个 REF 引脚接地而另外一个 REF 引脚接至基准，一个外部基准被除以 2 且精度接近 0.5%。

         第十六届全国大学生智能汽车竞赛中，重庆大学的智能视觉组和节能信标组均利用INA282搭建其电机驱动板的电流检测电路（未给出清晰原理图，不作分析）。

INA240

【INA240数据手册】

        INA240 器件是一款电压输出、电流检测放大器，具有增强型 PWM 抑制功能，可在独立于电源电压的 –4V 至 80V 宽共模电压范围内检测分流器电阻上的压降。增强型 PWM 抑制功能可为使用脉宽调制 (PWM) 信号的系统（例如，电机驱动和螺线管控制系统）中的较大共模瞬变 (ΔV/Δt) 提供高水平的抑制。凭借该功 能，可精确测量电流，而不会使输出电压产生较大的瞬变及相应的恢复纹波。

        该器件由 2.7V 至 5.5V 的单电源供电运行，消耗的最 大电源电流为 2.4mA 。共有四种固定增益可供选 用：20V/V、50V/V、100V/V 和 200V/V。该系列器件 采用零温漂架构，偏移较低，因此能够在分流器上的最 大压降低至 10mV（满量程）的情况下进行电流检测。

        常应用于：电机控制、螺线管和阀门控制、电源管理、致动器控制、压力调节器、电信设备。

        嘉立创开源硬件平台上的一开源工程PingFOCerLite_V2.0中，利用INA240对A、B、C三相做在线电流采样：

 【电流采样的三种方式】

（摘自：电流检测 (simplefoc.cn)（需挂梯子访问））

• 在线电流采样

        在线电流检测技术是最易用和精确的一种。采样电阻与电机相串联，无论PWM占空比的状态如何，在这些采样电阻上测量的电流都是电机相位电流。因此，这种方法非常适合于 Arduino 设备，因为adc可以在任何时候进行采样以获得电流，并且adc采集持续时间与其他电流传感方法同样重要。这种方法的短板在于硬件上，这种电流检测结构要求高精度双向放大器具有比常规低侧或高侧放大器更好的PWM抑制。

• 低侧电流采样

        低侧电流检测可能是最常见的电流检测技术。主要原因是它既不需要高性能PWM抑制电流检测放大器（如在线检测放大器），也不需要支持高压的放大器（如高侧放大器）。采样电阻始终置于低侧MOSFET和地之间，确保放大器的端子上始终具有非常低的电压。这种方法的主要缺点是，由于只有相应的低侧mosfet开启时，通过采样电阻的电流才是相电流，而我们只能在这些时刻测量到相电流。PWM频率通常为20至50 kHz，这意味着低侧MOSFET每秒开关20000至50000次，因此PWM设置和ADC采集之间的同步非常重要。

• 高侧电流采样

        高侧电流检测可能是本库（指开源文档Document (simplefoc.cn)）所讨论的三种电流检测中最不常见的一种。主要原因是因为它需要有支持高压的放大器。采样电阻位于高侧MOSFET和电源之间，会令放大器始终会有高压差。这种方法的另一个缺点是，由于只有相应的高侧mosfet开启时，通过采样电阻的电流才是相电流，而我们只能在这些时刻测量到相电流。PWM频率通常为20至50 kHz，这意味着低侧MOSFET每秒开关20000至50000次，因此PWM设置和ADC采集之间的同步非常重要。

        以A相为例，该开源工程采用双向电流测量的引脚连接：

【双向测量】

        双向操作允许 INA240 通过电阻分流器在两个方向测量电流。对于这种操作情况，输出电压可以设置在参考输入限制内的任何位置。常见的配置是将参考输入设置为半量程，以保证两个方向的范围相等。然而，当双向电流不对称时，参考输入可以设置为半量程以外的电压。

• Output Set to Midsupply Voltage（输出设置为中间电源电压）

        通过将一个参考引脚连接到 VS，将另一个参考引脚连接到 GND 引脚，当没有差分输入时，输出设置为电源的一半，如下图所示。此方法对电源电压产生比例偏移，其中对输入施加 0V 时，输出电压保持在 VS/2。

INA199

【INA199数据手册】

        INA199 系列电压输出、电流分流监控器（也称为电流 传感放大器）常用于过流保护、针对系统优化的精密电流测量或闭环反馈电路。该系列器件可在独立于电源电 压的 –0.3V 至 26V 共模电压下感应分流电阻器上的电压降。共有三种固定增益可供选择：50V/V、100V/V 和 200V/V。该系列器件采用零漂移架构，偏移较低， 因此在进行电流感测时能够将分流电阻器两端的最大压 降保持在最低 10mV 的满量程。

        这些器件由 2.7V 至 26V 的单个电源供电，消耗的最大电源电流为 100μA。

        up主Expert电子实验室在其开源工程鲲FOC无刷电机控制器中，使用INA199搭配DRV8313驱动芯片搭建驱动电路：

【Unidirectional Operation（单向测量）】

        该器件可配置为监控一个方向（单向）或两个方向（双向）的电流，具体取决于 REF 引脚的配置方式。最常见的情况是单向，即当没有电流流动时，通过将 REF 引脚连接到地来将输出设置为地，如Figure 27所示。当输入信号增加时，OUT 引脚上的输出电压也会增加。

        输出级的线性范围受到零输入条件下输出电压接近地的程度的限制。在需要测量极低输入电流的单向应用中，请将 REF 引脚偏置到 50mV 以上的合适值，以使输出处于器件的线性范围内。为了限制共模抑制误差，TI 建议缓冲连接到 REF 引脚的参考电压。

        一种不太常用的输出偏置方法是将 REF 引脚连接到电源电压 V+。当不存在差分输入信号时，该方法会导致输出电压在低于电源电压 200mV 时饱和。此方法类似于 REF 引脚接地时无输入信号时的输出饱和低电平状态。此配置中的输出电压仅响应负电流，从而产生相对于器件 IN 引脚的负差分输入电压。在这些条件下，当差分输入信号负向增加时，输出电压从饱和电源电压向下移动。施加到 REF 引脚的电压不得超过器件电源电压。

        另附推荐PCB排布：