这个电路是群友私信的一个锂电池高侧电流采样的电路,原本使用的是电量计作为高侧采样,以计算锂电池剩余电量,后考虑降本,所以想在高侧采集锂电池电流加拟合去计算电池电量。要求是双向电流检测(锂电池充放电都检测)。
电路设计:
从下图可以看出,是一个标准的差分比例放大电路,增益为115倍,由于要考虑充电和放电的双向电流检测,所以增加偏置电压为1.5V。然而这个电路图确是错误的。
电路问题点:
共模输入电压超范围;因为运放供电为LDO输出的3V供电,由于电路为高端采样,共模电压高,上图的电路并不能承受锂电池的3V以上的高共模电压。例如当电池电压为4.2V时,大概运放的共模输入电压为4.17V。
通过数据手册也可以得知,DIO2361的共模输入范围为-0.1V~VCC+0.1V,即在上图中3V供电下,共模电压输入范围为-0.1V~3.1V。由此可以看出,上图中运放的3V供电是很不妥当的。
电路修改建议:
1.将运放供电换为锂电池供电。这样运放的共模输入范围就够了。
2.更换为高共模电压高增益的集成芯片,例如INA199(支持双向电流检测),其能承受最高26V的共模电压,且内部集成了电阻,对误差的控制更为友好。其增益有三个版本,分别是50倍,100倍和200倍。
TI的INA199价格大概1块钱/片。价格还是蛮好的,由于中美贸易战,所以并不推荐TI的INA199,我推荐国产江苏润石的RS199(RS181可承受30V共模)。润石的RS199价格大概在0.7元/片,非常推荐。我觉得这个还是比分立器件好很多,误差控制起来也更容易一些。
可以看到,其INA199的内部框图也是差分比例放大,且集成了电阻在内部控制增益,可以外接偏置电压到REF管脚,所以其支持双向电流检测。
最后就是一个比较有意思的事情,就是INA199内部绝对是有其他的共模电压处理电路(没有在框图里体现),不会是简单的一个运放四颗电阻,不然也没办法实现高共模电压的输入范围并且兼容高增益(就像群友设计的电路一样)。大概内部有额外的电流镜之类的电路实现高共模电压输入范围,就像ZDS1009之类的电流镜:
另外,还有一种可以实现高共模电压输入范围的电阻分压方式,不过这种方式好似并不能实现高增益。电路图大概如INA149内部框图:
高侧电流检测和低侧电流检测的区别:
低端检测Rshunt电阻放在load 和地之间,Vcm=0,优点就是设计起来比较简单,比较直观,但是缺点是不能检测Rload 对地短路,断路等现象。
高端检测Rshunt放在Vbus和Rload之间,因此Vcm=Vbus。 优点是能够检测Rload对地短路,断路等现象,但是由于Vcm=Vbus,所以它对运放的共模输入范围,输入共模抑制比要求比较高,需要高CMRR和相应共模电压输入范围的运放来实现。