電壓/電流采樣設(shè)計(jì)分享，玩轉(zhuǎn)運(yùn)放比較器

本次與大家分享的是世健和ADI聯(lián)合舉辦的《在ADI電源產(chǎn)品的花園里“挖呀挖”》主題活動(dòng)的二等獎(jiǎng)文章：《電壓/電流采樣設(shè)計(jì)分享,玩轉(zhuǎn)運(yùn)放比較器》及作者獲獎(jiǎng)感言。

獲獎(jiǎng)感言

電壓/電流采樣設(shè)計(jì)分享,

玩轉(zhuǎn)運(yùn)放比較器

很榮幸被ADI評(píng)為獲獎(jiǎng)選手，從中不但學(xué)習(xí)了新知識(shí)，還實(shí)踐了自己的動(dòng)手能力。因?yàn)橐呀?jīng)習(xí)慣將自己的每一個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程都做備忘錄，讓需要的朋友少走點(diǎn)彎路。在此特別感謝世紀(jì)電源網(wǎng)提供的這個(gè)平臺(tái)和ADI&世健舉辦的這次活動(dòng)，最后祝ADI、世健和世紀(jì)電源網(wǎng)業(yè)績(jī)蒸蒸日上，越做越強(qiáng)。

作者: z443233785

所在行業(yè): 電源

應(yīng)用領(lǐng)域: PD快充及其它需要轉(zhuǎn)燈功能的地方

應(yīng)用案例名稱1：轉(zhuǎn)燈電路設(shè)計(jì)分享

應(yīng)用案例名稱2：采樣USB-A口電流降功率

ADI電源產(chǎn)品類型：運(yùn)放放大器

ADI電源產(chǎn)品型號(hào):LT1716

前言

最近快充和電池充電經(jīng)常用到轉(zhuǎn)燈和電流采樣功能，慢充亮紅燈，快充亮藍(lán)燈等，所以準(zhǔn)備分享一個(gè)轉(zhuǎn)燈電路和一個(gè)電流采樣電路供各位工程師一起學(xué)習(xí)，以及針對(duì)我在設(shè)計(jì)上遇到的一些問(wèn)題做一個(gè)總結(jié)，疏忽錯(cuò)誤之處在所難免，還請(qǐng)各位前輩斧正！

本次分享大概分四個(gè)部分：

1.轉(zhuǎn)燈電路設(shè)計(jì)分享，相關(guān)參數(shù)計(jì)算和電路仿真；

2.轉(zhuǎn)燈實(shí)物驗(yàn)證測(cè)試，相關(guān)波形記錄；

3.USB-A口電流采樣進(jìn)行降功率，相關(guān)參數(shù)計(jì)算；

4.快充A+C口實(shí)物驗(yàn)證測(cè)試，相關(guān)波形記錄。

接下來(lái)為大家介紹一下此次的方案設(shè)計(jì)：

01

應(yīng)用案例一

轉(zhuǎn)燈電路設(shè)計(jì)分享，相關(guān)參數(shù)計(jì)算和電路仿真

首先芯片選擇LT1716，工作電壓是2.7-44V，對(duì)于PD電源來(lái)說(shuō)3.3-21V完全夠用，封裝SOT23-5，小巧的封裝在高密度PD電源來(lái)說(shuō)非常實(shí)用。下圖是一個(gè)電壓采樣方式轉(zhuǎn)燈電路，接法為同相比較器，反相端接2.5V的參考基準(zhǔn)電壓，Vout的電壓先通過(guò)電阻分壓后接到正相端。

為了方便計(jì)算，在圖中添加了網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)：

當(dāng)運(yùn)放作為比較器使用時(shí)，Vo=(U+-U-) xa，所以當(dāng)U+小于U-時(shí)，Vo=無(wú)限接近于0V，U+大于U-時(shí)，Vo=無(wú)限接近于運(yùn)放的供電電壓，為什么說(shuō)是無(wú)限接近，因?yàn)橛行┻\(yùn)放不是完全的軌到軌，不能完全等于Vcc電壓，有VOH和VOL兩個(gè)電壓擺幅點(diǎn)，這兩個(gè)參數(shù)由運(yùn)放本身決定，下圖為L(zhǎng)T1716規(guī)格書(shū)寫(xiě)的參數(shù)，其輸出擺幅可以和軌到軌完全媲美：

典型值VOH為30mV，VOL為20mV，意思是說(shuō)當(dāng)輸出高電平時(shí)Vo=Vcc-30mV，輸出低電平時(shí)Vo=0+20mV

看一下仿真的結(jié)果：

左圖為輸出高電平時(shí)，Vo電壓為12V-30mV=11.97V左右，右圖為輸出低電平時(shí)，Vo電壓為0V+20mV=22mV左右，和規(guī)格書(shū)上的數(shù)據(jù)大致吻合。接下來(lái)讓我們進(jìn)行參數(shù)的一個(gè)計(jì)算，假設(shè)Vcs的電壓為5V，先把U+的電壓算出來(lái)，利用分壓定理，串聯(lián)電路中各電阻上的電流相等，各電阻兩端的電壓之和等于電路總電壓。

式子中U等于Vcs，算R2電阻上的壓降為:

由于U-參考電壓為2.5V，此時(shí)U+小于U-（同相端小于反相端），1.875V<2.5V，輸出為低電平，D2紅燈亮。

如果輸出進(jìn)入9V快充狀態(tài)，Vcs=9V時(shí)，U+的電壓為:

此時(shí)U+大于U-（同相端大于反相端），3.375V>2.5V，輸出為高電平，Q1導(dǎo)通拉低D2電位，D2紅燈滅，D1藍(lán)燈亮。

邏輯上沒(méi)有問(wèn)題之后開(kāi)始畫(huà)原理圖和PCB Layout，先參照規(guī)格書(shū)的腳位把轉(zhuǎn)燈部分的原理圖畫(huà)出來(lái)：

通過(guò)計(jì)算得出，輸出電壓的轉(zhuǎn)燈臨界點(diǎn)為6.6V。

此時(shí)PCB已經(jīng)畫(huà)好了，由于資料不可外傳,只截圖轉(zhuǎn)燈電路部分,前端是AC-DC結(jié)構(gòu),輸出單C口。

PCB板采用雙面錫膏工藝，布局非常緊湊。

為方便有需要的朋友,附上仿真的源文件,供參考：

（可前往原貼鏈接下載）

https://bbs.21dianyuan.com/forum.php?mod=viewthread&tid=352743

PCB回來(lái)已經(jīng)調(diào)試完成，實(shí)現(xiàn)了綠燈和藍(lán)燈切換功能，因手上的是綠藍(lán)雙色燈，所以藍(lán)燈對(duì)應(yīng)原理圖的紅燈。

先上傳波形，上電默認(rèn)5V（紫色波形），U+小于U-（同相端小于反相端），輸出為低電平（綠色波形），如下波形綠色為L(zhǎng)T1716的1腳電壓，紫色為輸出電壓。

慢慢上升調(diào)整輸出電壓（紫色波形），當(dāng)電壓達(dá)到6.3V時(shí)，U+大于U-（同相端大于反相端），輸出為高電平（綠色波形），

綠色為L(zhǎng)T1716的1腳電壓，紫色為輸出電壓。

02

應(yīng)用案例二

采樣USB-A口電流降功率

分享一個(gè)電流采樣方式的一個(gè)案例，如下原理圖，紅色方框?yàn)楸敬螌?shí)驗(yàn)研究的主角，該案列為雙口輸出的一個(gè)PD快充電源，加入LT1716實(shí)現(xiàn)A口有設(shè)備接入充電時(shí)，C口進(jìn)行降功率，該方案非常適合用于多口充電器的電流檢測(cè)。該方案總功率為35W，C口35W，A口10W，當(dāng)兩個(gè)口同時(shí)使用時(shí)，C口變成25W，A口還是10W，這里就需要用到一個(gè)電流采樣方式：

簡(jiǎn)單分析一下原理：當(dāng)A口電流上升達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)LT1716輸出一個(gè)高電平送到單片機(jī)，單片機(jī)接收到信號(hào)后進(jìn)行C口降功率，當(dāng)A口電流下降達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)LT1716輸出一個(gè)低電平送到單片機(jī)，單片機(jī)接收到信號(hào)后恢復(fù)C口功率。

U5為基準(zhǔn)穩(wěn)壓器，提供一個(gè)精度較高的1.25V電壓，經(jīng)過(guò)R30和R31進(jìn)行分壓產(chǎn)生一個(gè)14mV參考電壓，R34為遲滯電阻。

參考電壓U+的計(jì)算：

本人比較笨，所以使用非常笨的方式來(lái)算：

便于理解，先看流入該支路的總電流，

再看總電流在下拉電阻上產(chǎn)生的壓降，

結(jié)果為14mV。

水平高一點(diǎn)的使用該公式可以這樣：

結(jié)果為14mV。

再高級(jí)一點(diǎn)的（天才）可以不需要公式，直接跳過(guò)得結(jié)果。

注：以上是忽略R34遲滯電阻的計(jì)算結(jié)果。

由于第一個(gè)案例比較器有個(gè)缺陷，在比較門限附近時(shí)容易出現(xiàn)干擾信號(hào)，導(dǎo)致精度差，造成信號(hào)一下高一下低不穩(wěn)定的情況，所以加入R34引入正反饋來(lái)解決該問(wèn)題。

深入研究一下這個(gè)遲滯原理：

當(dāng)輸出低電平時(shí)，R34等效接地，相當(dāng)于R34和R31并聯(lián)拉低參考電平形成下門限U-TL，當(dāng)輸出高電平時(shí)，R34接入高電平抬高了原有的參考電平，并形成上門限U-TH，構(gòu)成了一個(gè)滯回比較器消除干擾信號(hào)，如下圖原理圖和波形圖：

V_CS：比較器輸入信號(hào)，（檢測(cè)采樣到的電壓信號(hào)）

U_TH：上門限

U_TL：下門限

V_OL：輸出低電平，注：電平的值不是很精確

V_OH：輸出高電平，注：電平的值不是很精確

狀態(tài)分析：

V_CS+ 大于 U_TH 時(shí)，A-EN為低電平

V_CS+ 小于 U_TL 時(shí)，A-EN為高電平

U_TL小于 V_CS+ 小于U_TH 時(shí)，A-EN維持歷史狀態(tài)不變

上門限和下門限的估算：

看芯片手冊(cè)，有上下門限范圍：

下門限為0-75mV，上門限為Vdd+130mV，將這個(gè)代入公式：

得出上門限為18.47mV

表示達(dá)到該上門限觸發(fā)動(dòng)作，在此下限不動(dòng)作。

得出下門限為14.42mV

當(dāng)在上門限觸發(fā)動(dòng)作后，此時(shí)再往回走時(shí)不動(dòng)作，當(dāng)超越下門限時(shí)才進(jìn)行動(dòng)作，有效改善了在一個(gè)臨界狀態(tài)存在的干擾問(wèn)題。

PCB畫(huà)完已打樣回來(lái)，附圖，體積做的得非常小，用的是雙面錫膏工藝。

板子現(xiàn)在已經(jīng)貼好，同時(shí)MCU的軟件也寫(xiě)好了，準(zhǔn)備先上電測(cè)試，為了方便調(diào)試，把A口的座子直接引線出來(lái)。因?yàn)锳口旁邊有很多貼片元件不好更換，同時(shí)也把LT1716的輸出端也引了根線出來(lái)，方便掛波形和調(diào)試。

參照論壇網(wǎng)友的參數(shù)和計(jì)算結(jié)果，確認(rèn)無(wú)誤后直接上電了。

上電后功能正常，C口的PDO為35W，此時(shí)A口為5V空載，沒(méi)有帶電流。

A口從0A負(fù)載上升到0.339A時(shí)，C口開(kāi)始降功率了，PDO為25W，14樓算的上門限為18.47mV，電路上用的限流電阻為50mR，上門限電流閾值為18.47mV/50mR=0.3694A，和實(shí)際測(cè)試結(jié)果相差不大。

LT1716的輸出端的波形圖：

可以看到，在0.254-0.339A這一段范圍沒(méi)有出現(xiàn)電平翻轉(zhuǎn)，提高了抗干擾問(wèn)題。

實(shí)際測(cè)試下門限值為0.254A，理論計(jì)算是14.42mV/50mR=0.2884A。

上下門限范圍為100mA，有效避免了干擾帶來(lái)的誤動(dòng)作，可通過(guò)調(diào)整R34的大小來(lái)改變這個(gè)門限范圍。

通過(guò)以上兩個(gè)案例，掌握了基本的工作原理和相關(guān)的參數(shù)計(jì)算，并實(shí)現(xiàn)了所要求的功能，感興趣的朋友們可以嘗試動(dòng)手研究一下。

本次的案例分享到此結(jié)束，感謝大家的閱讀，希望可以給大家?guī)?lái)一點(diǎn)幫助。