在电子电路设计中，电流检测是一项至关重要的任务，尤其是对于需要控制和监测电流的应用场景。高侧电流检测电路能够在不干扰负载接地的情况下，准确检测负载电流，并且可以识别接地短路等故障。下面我们将详细介绍一种单电源、高侧、低成本的电流检测电路的设计过程。

1. 简介

此单电源、高侧、低成本的电流检测解决方案，旨在检测 50mA 至 1A 之间的负载电流，并将其转换为 0.25V 至 5V 的输出电压。采用高侧检测方式，使得系统能够有效识别接地短路情况，同时不会对负载造成接地干扰。

图 1 高侧电流检测电路示意图

2. 设计目标

• 输入要求：
  • 输入电流 IiMin=50mA
  • 输入电流 IiMax=1A
• 输出要求：
  • 输出电压 VoMin=0.25V
  • 输出电压 VoMax=5V
• 电源要求：
  • 电源电压 Vcc=36V
  • 地电压 Vee=0V

3. 电路设计

在设计过程中，需要注意以下几点：

• 直流共模抑制比 (CMRR) 性能：其性能取决于增益设置电阻器 R2 - R5 的匹配情况。电阻器的匹配精度越高，CMRR 性能越好，能够有效抑制共模干扰，提高电路的稳定性和准确性。
• 分流电阻器功耗：增大分流电阻器的值会增加功耗。因此，在选择分流电阻器时，需要在满足检测精度的前提下，尽量降低电阻值，以减少功耗。
• 共模电压范围：要确保共模电压处于放大器的线性输入运行区域内。共模电压由 R2、R3 和总线电压构成的电阻分压器设置。根据电阻分压器确定的共模电压，此应用可能不需要轨至轨输入 (RRI) 放大器。
• 带宽与稳定性：与反馈电阻器并联放置的电容器将限制带宽、提高稳定性并有助于降低噪声。通过合理选择电容器的容值，可以优化电路的频率响应和稳定性。

4. 设计计算

• 传递函数：该电路的传递函数为 Vo=Iin?R1?R4R5，其中 R2=R4，R3=R5。
• 分流电阻计算：将分流电压设置为 100mV，根据公式 R1=IiMaxViMax=1A100mV=100mΩ 计算得到分流电阻。
• 增益计算：为了设置输出摆幅，计算增益 Gain=(IiMax?IiMin)?R1VoMax?VoMin=(1A?0.05A)?R15V?0.25V=50VV。
• 增益设置电阻器计算：根据增益计算结果，得到 R2=R4=1.01KΩ，R3=R5=R2?Gain=1.01?50=50.5kΩ。
• 共模电压计算：计算放大器的共模电压 Vcm=Vcc?R2+R3R1=36?1.01k+50.5k50.5k=35.294V，确保放大器以线性模式运行。
• 截止频率上限计算：截止频率上限 fH 取决于此电路的同相增益（噪声增益）和运算放大器的增益带宽 (GBW)，计算公式为 fH=NoiseGainGBW=51VV10MHz=196.1kHz。

5. 电路仿真

为了验证电路设计的正确性和性能，进行了时域和频域仿真。

• 时域仿真：通过时域仿真可以观察电路在不同输入电流下的输出电压随时间的变化情况，验证电路的响应速度和稳定性。

图 3 时域仿真结果

• 频域仿真：频域仿真可以分析电路的频率响应特性，包括带宽、增益平坦度等，确保电路在所需的频率范围内具有良好的性能。

图 4 频域仿真结果