在电子电路设计中，精确检测电流是许多应用的关键需求。低侧双向电流检测电路作为一种重要的电流检测解决方案，能够在特定范围内精确检测负载电流。本文将详细介绍一种单电源低侧双向电流检测电路的设计，包括设计目标、电路结构、参数计算以及电路仿真等方面。

简介

该单电源低侧双向电流检测解决方案具备高精度检测能力，可以精确地检测 –1A 至 1A 的负载电流。其输出的线性范围为 110mV 至 3.19V。低侧电流检测具有独特的优势，它可以将共模电压保持在接近于接地值，这使得它在具有高总线电压的应用中尤为有用。在高总线电压的系统中，低侧检测能够有效降低对检测电路的共模电压要求，提高检测的准确性和稳定性。

图 1 低侧双向电流检测电路示意图

设计目标

输入参数

输入电流的最小值 IiMin=?1A，最大值 IiMax=1A。这确定了检测电路需要能够准确测量的电流范围，是设计电路的重要依据。

输出参数

输出电压的最小值 VoMin=110mV，最大值 VoMax=3.19V。输出的线性范围决定了检测电路将输入电流转换为输出电压的对应关系，是评估电路性能的重要指标。

电源参数

电源的负电压 Vee=0V，正电压 Vcc=3.3V，参考电压 Vref=1.65V。这些电源参数为电路提供了稳定的工作电压，是电路正常运行的基础。

电路设计

根据设计目标，最终设计的电路结构和参数如下所示。
在电路设计过程中，有一些重要的注意事项。为了最大程度地降低误差，需要设置 R3=R1 且 R4=R2。同时，使用精密电阻器可以实现更高的精度，因为电阻的精度直接影响到电流检测的准确性。此外，低侧检测并非适用于所有应用场景，不应在系统负载无法承受小接地干扰的应用或需要检测负载短路的应用中使用。

设计计算

传递函数

该电路的传递函数为 Vo=(Ii?Rshunt?R3R4)+Vcc?(R5+R6R6)。这个传递函数描述了输入电流 Ii 与输出电压 Vo 之间的关系，是计算电路参数的基础。

最大分流电阻计算

最大分流电阻 Rshunt=IiMaxVshunt=100mΩ。分流电阻的选择需要根据输入电流的最大值和允许的电压降来确定，以确保电路能够正常工作。

基准电压电阻选择

由于输入电流范围是对称的，因此应将基准设置为中间电源。所以，使 R5 和 R6 的值相等，即 R5=R6=10kΩ。这样可以确保在输入电流为零时，输出电压处于合适的基准值。

差分放大器增益计算

根据运算放大器输出摆幅设置差分放大器。在电源为 3.3V 的情况下，运算放大器输出可以从 100mV 摆动至 3.2V。差分放大器的增益 Gain=Rshunt?(IiMax?IiMin)VoMax?VoMin=15.5VV，同时 Gain=R1R4=15.5VV。通过这些计算，可以确定电阻 R1 和 R4 的值。

电阻值确定

根据增益计算结果，可得 R1=R3=1.3kΩ，R2=R4=15.5VV?1.3kΩ=20.15kΩ≈20kΩ。这些电阻值的确定是保证电路性能符合设计目标的关键。

电路仿真

为了验证电路设计的正确性和性能，进行了时域仿真和频域仿真。

时域仿真

时域仿真结果可以直观地展示电路在不同时间点对输入电流的响应。通过观察输出电压随时间的变化，可以评估电路的动态性能，如响应速度、稳定性等。

图 17 时域仿真结果

频域仿真

频域仿真则可以分析电路在不同频率下的响应特性，包括增益、带宽等。这对于评估电路的频率响应和抗干扰能力非常重要。

图 18 频域仿真结果