如何設計高性能低側電流感應設計中的印刷電路板？

圖1　低側電流感應原理圖

在本篇文章中，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是低側電流感應電路原理圖，使用的是TLV9061超小型運算放大器。

公式(1)是計算圖1所示電路的傳遞函數：

Vout=ILOAD×RSHUNT×Gain

(1)

其中Gain=1+RF/RG。

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。

公式(2)是計算圖2中電路的傳遞函數：

Vout=ILOAD×(RSHUNT+RSTRAY)×Gain

(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2　與分流電阻串聯的寄生電阻

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，從分流電阻發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。可以從這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。