如何設計高性能低側電流感應設計中的印刷電路板

　　在之前的博客文章中，我向大家介紹了如何借助低側電流感應控制電機，并分享了為成本敏感型應用設計低側電流感應電路的三個步驟。在本篇文章中，我將介紹如何使用應用印刷電路板(PCB)技術，采用一款微型運算放大器 (Op amp)來設計精確的、低成本的低側電流感應電路。

　　圖1是之前的博客文章引用的低側電流感應電路原理圖，圖一中使用的是TLV9061超小型運算放大器。

　　圖1：低側電流感應原理圖

　　公式1是計算圖1所示電路的傳遞函數：

　　(1)

　　其中 。

　　精確的低側電流感應設計對印刷電路板的設計有兩大要求。首先要確保分流電阻(Rshunt)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，會產生與分流電阻(Rshunt)串聯的寄生電阻，導致系統產生增益誤差。圖2顯示了系統中寄生電阻的位置。

　　圖2：與分流電阻(Rshunt)串聯的寄生電阻

　　公式2是計算圖2中電路的傳遞函數：

　(2)

　　第二個設計要求是要將電阻RG的接地端盡可能地靠近分流電阻(Rshunt)的接地端。當電流流過印刷電路板的接地層時，接地層上會產生壓降，致使印刷電路板上不同位置的接地層電壓出現差異。這會使系統出現偏移電壓。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3：接地層電壓差異

　　公式3是計算圖3所示電路的傳遞函數：

(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展示了我之前建議的適合低側電流感應設計的印刷電路板布局。頂層是紅色，底層是藍色的。印刷電路板布局中的R5和C1指示負載電阻和去耦電容應該放置的的位置。

　　圖 5：正確的低側電流感應印刷電路板布局

　　需要注意的是從分流電阻(Rshunt)發出的軌跡線使用開爾文接法且RG盡可能靠近分流電阻 (Rshunt)。您能夠使用小型(0.8mm×0.8mm)五引腳X2SON封裝的TLV9061運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。您可以從這里方便地將底層的分流電阻(Rshunt)線路穿過通孔與頂層的同相引腳和RG連接起來。

　　在您今后為低側電流感應設計印刷電路板布局時，請務必遵循以下準則，以減少設計中潛在的錯誤：

　　在分流電阻(Rshunt)上使用開爾文接法。

　　RG盡可能放置在靠近分流電阻(Rshunt)接地端的地方。

　　去耦電容盡可能靠近電源引腳。

　　至少要有一個可靠的接地層。

　　了解更多有關使用X2SON封裝設計印刷電路板布局的信息，請參閱應用報告“使用TI X2SON封裝進行設計和制造”。

　　其它資源

　　更多有關印刷電路板布局的信息，請閱讀下述博客文章：

　　“基礎知識：如何為運算放大器設計印刷電路板。”

　　“如何布局儀表放大器的印刷電路板”

　　模擬設計常用公式請見“模擬工程師口袋參考書。”

　　閱讀放大器專家Art Kay發表的關于去耦電容器的博客文章“去耦電容器......是否真的有必要?”