在電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)中，電路板的布局布線至關(guān)重要，尤其是電流檢測模塊的布局布線。合理的布局布線能夠提高電流檢測的精度和可靠性，從而提升整個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)的性能。本文將為您詳細(xì)介紹高 / 低側(cè)、兩三相電流檢測模塊的布局布線相關(guān)知識(shí)，包括不同檢測方式的特點(diǎn)、關(guān)鍵元器件選型、布局、布線、工具設(shè)置、輸入和輸出濾波以及注意事項(xiàng)等方面。

電流感測拓?fù)浼?a target="_blank">放大器類型

許多電機(jī)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品系列都內(nèi)置了電流感測功能，大多數(shù)采用外部分流電阻作為測量源。將電流感測放大器與驅(qū)動(dòng)器結(jié)合，為電機(jī)接口提供了一體化解決方案，能以更低成本實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量的電流感測。常見的電流感測拓?fù)淙鐖D 1 所示。

內(nèi)置于這些器件中的集成電流感測放大器 (CSA) 通常分為三類，每類都有其獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，后續(xù)將詳細(xì)介紹。

不同電流檢測方式的特點(diǎn)

1. 單個(gè)高側(cè)分流器
   高側(cè)電流感測電路如圖 2 所示。其好處包括能直接測量來自電源的電流、可檢測負(fù)載短路以及抗接地干擾。然而，它的一個(gè)缺點(diǎn)是需要較高的共模電壓。
   

   

   
   圖 2. 高側(cè)電流感測
2. 單個(gè)低側(cè)分流器
   低側(cè)電流分流器電路如圖 3 所示。使用低側(cè)分流器的優(yōu)點(diǎn)是需要較低的共模電壓，但缺點(diǎn)是更容易受到接地噪聲的影響，并且無法檢測到接地短路。
   

   

   
   圖 3. 低側(cè)電流感測
3. 兩相和三相分流放大器
   包含兩相和三相 CSA 的電路如圖 4 所示。這種方式有利于電路板布局布線，因?yàn)槠涔材ｋ妷阂筝^低。此外，它允許單獨(dú)測量每個(gè)通道，可用于更復(fù)雜的控制方案，如磁場定向控制。但缺點(diǎn)是對(duì)接地噪聲的敏感度更高、無法檢測接地短路，并且需要更多軟件來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總電流。
   

   

   
   圖 4. 兩相和三相 CSA

關(guān)鍵元器件選型要求

選擇感測電阻時(shí)，需要在精度和功耗之間進(jìn)行權(quán)衡。功率級(jí)中的大電流會(huì)流經(jīng)感測電阻，因此電阻值必須很小，以降低功率耗散。對(duì)于大電流系統(tǒng)，電阻值通常以 mΩ 為單位。例如，驅(qū)動(dòng) 20A 電流并采用 1mΩ 感測電阻的系統(tǒng)將通過該電阻消耗 400mW 功率，此時(shí) CSA 的輸入端只接收到 20mV 的信號(hào)。增加電阻值可提高信噪比，但會(huì)增加功率耗散。

此外，還必須考慮 CSA 的性能參數(shù)。在針對(duì)系統(tǒng)中壞情況下的電流進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，所選的分流電阻應(yīng)防止電流感測輸入引腳上的電壓高于 CSA 的額定值。在正常運(yùn)行期間，該電壓必須保持在規(guī)定的差分電壓范圍參數(shù)內(nèi)。選擇感測電阻時(shí)，請(qǐng)參閱器件數(shù)據(jù)表。

對(duì)于使用外部增益電阻的器件，如 DRV3201 - Q1，應(yīng)選擇具有高精度的元件。元件不符合要求會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)間共模和差模增益的巨大變化。

布局要點(diǎn)

為盡可能減小布線阻抗，感測電阻的放置應(yīng)與功率級(jí)的元件一致。為降低耦合到電路板上其他布線的可能性，分流電阻也應(yīng)放置在靠近 CSA 連接件的位置。

對(duì)于高側(cè)電流感測，分流電阻應(yīng)靠近電源與高側(cè) MOSFET 源極之間的星點(diǎn)。對(duì)于使用外部增益電阻的高側(cè)電流感測器件，如 DRV3205 - Q1，分壓器中的個(gè)電阻應(yīng)放置在靠近分流電阻的位置，其余元件應(yīng)放置在離器件近的位置。

對(duì)于低側(cè)電流感測，分流電阻應(yīng)位于低側(cè) MOSFET 源極與功率級(jí)星點(diǎn)接地連接件之間。

對(duì)于在兩個(gè)或三個(gè)單獨(dú)相位上帶有分流電阻的系統(tǒng)，分流電阻應(yīng)放置于相應(yīng)低側(cè) MOSFET 的源極與星點(diǎn)接地連接件之間。

布線要點(diǎn)

必須使用差分對(duì)來完成感測信號(hào)的布線。在一個(gè)差分對(duì)中，兩個(gè)信號(hào)在布局中緊密耦合，布線必須從分流電阻或感測電阻并聯(lián)到 IC 輸入端的 CSA，如圖 5 所示。

有用工具（網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和差分對(duì)）

許多現(xiàn)代 CAD 工具實(shí)現(xiàn)了可幫助布局工程師進(jìn)行 PCB 正確布線的功能。以 AltiumDesigner 工具為例，在初始階段進(jìn)行 PCB 布線時(shí)，這些指南有助于在進(jìn)行感測電阻布線時(shí)指出哪些元件布線會(huì)具有欺騙性。對(duì)于低側(cè)分流電阻，負(fù)輸入可能會(huì)直接接地，而正輸入會(huì)直接連接到低側(cè)源極引腳。為避免這種情況，應(yīng)在器件和分流電阻之間放置一個(gè)網(wǎng)帶連接組件，這樣設(shè)計(jì)人員就可在布局期間而不是在布線期間設(shè)置布線限制，如圖 6 所示。

使用差分對(duì)的布局技術(shù)會(huì)對(duì)兩個(gè)緊密耦合的信號(hào)進(jìn)行平行布線，從而降低共模噪聲。TI 建議使用差分對(duì)進(jìn)行從分流電阻到 CSA 的信號(hào)布線。為了進(jìn)一步降低噪聲耦合，請(qǐng)勿讓對(duì)噪聲敏感的布線與有噪聲（開關(guān)）的信號(hào)布線平行。

輸入和輸出濾波

檢測放大器的輸入和輸出濾波器應(yīng)盡可能靠近檢測放大器放置。這樣放置可確保器件接收到的不良噪聲被限制在濾波器和檢測放大器之間。圖 7 為輸入濾波器（C40、R30 和 R31）的示例布局，圖 8 為輸入和輸出濾波器的實(shí)際布局。

注意事項(xiàng)

設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電路板布局布線時(shí)，請(qǐng)遵循以下原則：

1. 使用開爾文連接，以提高測量的準(zhǔn)確性。
2. 使布局對(duì)稱，減少電磁干擾。
3. 閉合所有連接，確保電路的完整性。
4. 使用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和差分布線工具，優(yōu)化布線效果。