单电阻电流采样原理|环球观天下

前言：

双电阻和三电阻的采样方案比较常见了，原理比较简单。随着成本的压力和技术的进步，现在单电阻采样的方式越来越常见。

本篇文章，来解析单电阻采样的原理以及注意点。

(相关资料图)

正文：

双电阻和三电阻，为了能采样到三相电流，必须在零矢量时刻采样，基于Ia+Ib+Ic=0前提下，三相电流形成了回路。

单电阻采样不能在零矢量时刻采样，因为零矢量时刻，唯一的直流电阻采样到的电流就是零。

那么反过来说，单电阻采样必须在非零矢量时刻进行。

100矢量

采用七段式SVPWM模式下，当100矢量下，A相开上管，B/C相开下管。

在电动模式下，电流从A相上管MOSFET流入电机，然后从电机流入B/C下管MOSFET。

在发电模式下，电流从B/C相下管的续流二极管流入电机，从电机经由A相上管续流二极管流入直流电容。

无论上述哪种情况，流经DC-采样电阻的直流电流都是Ib和Ic，根据Ia+Ib+Ic=0的前提下，可以采样到Ia。

110矢量

采用七段式SVPWM模式下，当110矢量下，A/B相开上管，C相开下管。

在电动模式下，电流从A/B相上管MOSFET流入电机，然后从电机流入C下管MOSFET。

在发电模式下，电流从C相下管的续流二极管流入电机，从电机经由A/B相上管续流二极管流入直流电容。

无论上述哪种情况，DC-直流电流的都是Ic，进而采样到Ic。

所以说，在同一个开关周期内，两次非零矢量下，根据不同的矢量，直流电流代表了不同的相电流。矢量和相电流对应关系如下：

矢量和相电流对应关系

一个开关周期内两次采样

如上图所示，在000和111矢量下，直流电流为零，这时候采样直流电阻电压，只能作为电流采样偏置使用。

在101和100矢量下，可以分别采样两次相电流，并且因为矢量不同，是不可能两次采样同一相电流的。

对于一次采样行为，该矢量被分为两段，一段是相电流的上升和稳定时间，另外一段是等电流稳定后即可进行ADC采样。所以说，采样点是不固定的，采样得到的电流和相对应关系也是和SVPWM矢量息息相关的。

电流采样回路的延时

电流采样的延时，具体包括以下环节：

Tr 运放的压摆率决定的上升时间，us级

Ts 运放输出稳定时间，us级

TPD MOS门级驱动器的传输延时，ns级

TS&H ADC采样、保持、转换时间，us级

TDT 开关器件的开关延时以及死区，us级

一般确定采样点，需要考虑以上延时。因为所有的采样点基于MCU的计数器来确定，但是最后执行到开关元器件，再到最后运放建立输出，是存在以上延时的。重点是运放输出，以及开关器件执行的延时以及死区导致的偏移。

另外ADC触发采样后，要留足宽度用于ADC的保持、转换。

当处于某些矢量情况下，采样宽度不够时，就必须对计算出的矢量进行偏移操作，移动出足够用于采样的脉宽，这就是单电阻采样的难点。

压摆率：

压摆率，直接决定了运放的输入到输出上升的时间。其稳定时间取决于运放的带宽，增益以及精度等其他指标。

运放的输入到输出

以上图为例，绿色是检测电压，到运放1.2V的输出存在800ns的延时，说明其压摆率为：1.2V/800ns=1.5V/us，这个指标是偏低的。

以领芯微的LCM32F037系列为例，压摆率达到了5V/us，保证了运放输出能够快速建立。

领芯微MCU内置运放

TI常用的单电阻采样电路如下图：

TI单电阻采样电路

上图是经典的差分放大电路，DC Bus shunt 是单电阻，R25+R106与R26+R108,R109,R52构成差分放大电路，+3.3VD提供直流偏置。

大家需要注意的是，整个采样电路，输入端口仅仅只有C17这一个差分滤波电容，C84属于共模噪声抑制电容。

当R25=R26=100ohm, C17=3.3nF, 运放输入和输出是如下波形：

运放稳定时间976ns

运放的上升加稳定时间大约是976ns，蓝色是电阻流过电压，因为线路板寄生电感以及开关器件的耦合，产生了较大幅度尖峰，所以需要C17进行滤波，设置相对低的滤波截至频率，虽然上升时间较长，但是可以快速稳定，防止运放输出的振荡。

如下图，R25=R26=100ohm, C17=330pF, 可以快速上升496ns, 但是运放输出会振荡，需要一定的稳定时间。

运放输出振荡

错峰采样

前文提过，单电阻采样，必须在两个非零矢量的时候分别采样两相相电流。如下图所示，粉红色是运放输出电压，因为运放电路设计合理。所以运放输出快速建立并稳定，ADC能够采样到真实电流：

非零矢量错峰采样

如下图，如果ADC性能好，采样电路噪声小，哪怕采样窗口仅仅1.24us也能采样到相电流。这种情况，说实话我觉得比较极限。一般能做到3us，已经很好了。

采样窗口仅仅1.24us

下图我是没想明白，为什么死区会造成电流的延时出现？这里就必须考虑偏移采样点。

电流偏移到采样窗口外

实际项目，除了合适的采样窗口和采样点，电路设计，还需要对采样增益和采样偏置进行校正，有效提升了采样精度：

采样误差

双电阻/三电阻采样

对于双电阻或者三电阻采样，因为是在零矢量的中间采样，可以留出更大的脉宽，所以说单电阻采样对运放带宽要求更高。

双电阻采样点

双电阻采样也需要对采样增益和采样偏置作校正，校正前后误差对比如下：

双电阻采样误差校正对比

领芯微参考设计

领芯微单电阻采样

领芯微的单电阻设计和TI类似，除了C35的100pF滤波电容，没有其他电容。尤其是OPA0N/OPA0P，千万不能对地加滤波电容，会直接改变电阻上电压的波形，最后影响运放输出的建立，采样失败。MOS的ds也不要加电容，有可能导致电流波形的畸变，因为单电阻采样对电流流过电阻的信号是非常敏感的。

C35滤波后电压直接输入MCU，内置运放和差分放大电阻，集成度相当高。

运放接MCU

运放内部结构

运放的内部结构如上图，通过OP0P和OP0N输入到运放，内部电阻R1是15k，R2可以从15k到480k通过寄存器配置，放大倍数从1到32倍。集成了ADC_REF/2的偏置电压，运放输出和ADC，比较器，输出都可以灵活配置。

参考资料：

TI Designs Current Sensing With <1-µs Settling for 1-, 2-, and 3-Shunt FOC Inverter Reference Design

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