如何设计高性能低侧电流感应设计中的印刷电路板？

图1　低侧电流感应原理图

在本篇文章中，将介绍如何使用应用印刷电路板(PCB)技术，采用一款微型运算放大器(Op amp)来设计精确的、低成本的低侧电流感应电路。

图1是低侧电流感应电路原理图，使用的是TLV9061超小型运算放大器。

公式(1)是计算图1所示电路的传递函数：

Vout=ILOAD×RSHUNT×Gain

(1)

其中Gain=1+RF/RG。

精确的低侧电流感应设计对印刷电路板的设计有两大要求。首先要确保分流电阻直接连接到放大器的同相输入端和RG的接地端，这通常被称为“开尔文接法”(Kelvin connection)。如果不使用开尔文接法，会产生与分流电阻串联的寄生电阻，导致系统产生增益误差。图2显示了系统中寄生电阻的位置。

公式(2)是计算图2中电路的传递函数：

Vout=ILOAD×(RSHUNT+RSTRAY)×Gain

(2)

第二个设计要求是要将电阻RG的接地端尽可能地靠近分流电阻的接地端。当电流流过印刷电路板的接地层时，接地层上会产生压降，致使印刷电路板上不同位置的接地层电压出现差异，这会使系统出现偏移电压。在图3中，连接到RG的地面电压源符号代表了地电位的不同。

图2　与分流电阻串联的寄生电阻

图3　接地层电压差异

公式(3)是计算图3所示电路的传递函数：

(3)

图4显示了正确的印刷电路板布局示意图。

图4　正确的布局示意图

图5展示了适合低侧电流感应设计的印刷电路板布局。顶层是红色，底层是蓝色的。印刷电路板布局中的R5和C1指示负载电阻和去耦电容应该放置的位置。

图5　正确的低侧电流感应印刷电路板布局

需要注意的是，从分流电阻发出的轨迹线使用开尔文接法且RG尽可能靠近分流电阻，能够使用小型(0.8 mm×0.8 mm)5引脚X2SON封装的TLV9061运算放大器将所有无源器件放置在顶层分流电阻的两个焊盘之间。可以从这里方便地将底层的分流电阻线路穿过通孔与顶层的同相引脚和RG连接起来。