前言：

雙電阻和三電阻的采樣方案比較常見(jiàn)了，原理比較簡(jiǎn)單。隨著成本的壓力和技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在單電阻采樣的方式越來(lái)越常見(jiàn)。

正文：

雙電阻和三電阻，為了能采樣到三相電流，必須在零矢量時(shí)刻采樣，基于Ia+Ib+Ic=0前提下，三相電流形成了回路。

單電阻采樣不能在零矢量時(shí)刻采樣，因?yàn)榱闶噶繒r(shí)刻，唯一的直流電阻采樣到的電流就是零。

那么反過(guò)來(lái)說(shuō)，單電阻采樣必須在非零矢量時(shí)刻進(jìn)行。

100矢量

采用七段式SVPWM模式下，當(dāng)100矢量下，A相開(kāi)上管，B/C相開(kāi)下管。

在電動(dòng)模式下，電流從A相上管MOSFET流入電機(jī)，然后從電機(jī)流入B/C下管MOSFET。

在發(fā)電模式下，電流從B/C相下管的續(xù)流二極管流入電機(jī)，從電機(jī)經(jīng)由A相上管續(xù)流二極管流入直流電容。

無(wú)論上述哪種情況，流經(jīng)DC-采樣電阻的直流電流都是Ib和Ic，根據(jù)Ia+Ib+Ic=0的前提下，可以采樣到Ia。

110矢量

采用七段式SVPWM模式下，當(dāng)110矢量下，A/B相開(kāi)上管，C相開(kāi)下管。

在電動(dòng)模式下，電流從A/B相上管MOSFET流入電機(jī)，然后從電機(jī)流入C下管MOSFET。

在發(fā)電模式下，電流從C相下管的續(xù)流二極管流入電機(jī)，從電機(jī)經(jīng)由A/B相上管續(xù)流二極管流入直流電容。

無(wú)論上述哪種情況，DC-直流電流的都是Ic，進(jìn)而采樣到Ic。

所以說(shuō)，在同一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，兩次非零矢量下，根據(jù)不同的矢量，直流電流代表了不同的相電流。矢量和相電流對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：

矢量和相電流對(duì)應(yīng)關(guān)系

一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)兩次采樣

如上圖所示，在000和111矢量下，直流電流為零，這時(shí)候采樣直流電阻電壓，只能作為電流采樣偏置使用。

在101和100矢量下，可以分別采樣兩次相電流，并且因?yàn)槭噶坎煌遣豢赡軆纱尾蓸油幌嚯娏鞯摹?/p>

對(duì)于一次采樣行為，該矢量被分為兩段，一段是相電流的上升和穩(wěn)定時(shí)間，另外一段是等電流穩(wěn)定后即可進(jìn)行ADC采樣。所以說(shuō)，采樣點(diǎn)是不固定的，采樣得到的電流和相對(duì)應(yīng)關(guān)系也是和SVPWM矢量息息相關(guān)的。

電流采樣回路的延時(shí)

電流采樣的延時(shí)，具體包括以下環(huán)節(jié)：

Tr 運(yùn)放的壓擺率決定的上升時(shí)間，us級(jí)

Ts 運(yùn)放輸出穩(wěn)定時(shí)間，us級(jí)

TPD MOS門級(jí)驅(qū)動(dòng)器的傳輸延時(shí)，ns級(jí)

TS&H ADC采樣、保持、轉(zhuǎn)換時(shí)間，us級(jí)

TDT 開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)延時(shí)以及死區(qū)，us級(jí)

一般確定采樣點(diǎn)，需要考慮以上延時(shí)。因?yàn)樗械牟蓸狱c(diǎn)基于MCU的計(jì)數(shù)器來(lái)確定，但是最后執(zhí)行到開(kāi)關(guān)元器件，再到最后運(yùn)放建立輸出，是存在以上延時(shí)的。重點(diǎn)是運(yùn)放輸出，以及開(kāi)關(guān)器件執(zhí)行的延時(shí)以及死區(qū)導(dǎo)致的偏移。

另外ADC觸發(fā)采樣后，要留足寬度用于ADC的保持、轉(zhuǎn)換。

當(dāng)處于某些矢量情況下，采樣寬度不夠時(shí)，就必須對(duì)計(jì)算出的矢量進(jìn)行偏移操作，移動(dòng)出足夠用于采樣的脈寬，這就是單電阻采樣的難點(diǎn)。

壓擺率：

壓擺率，直接決定了運(yùn)放的輸入到輸出上升的時(shí)間。其穩(wěn)定時(shí)間取決于運(yùn)放的帶寬，增益以及精度等其他指標(biāo)。

運(yùn)放的輸入到輸出

以上圖為例，綠色是檢測(cè)電壓，到運(yùn)放1.2V的輸出存在800ns的延時(shí)，說(shuō)明其壓擺率為：1.2V/800ns=1.5V/us，這個(gè)指標(biāo)是偏低的。

以領(lǐng)芯微的LCM32F037系列為例，壓擺率達(dá)到了5V/us，保證了運(yùn)放輸出能夠快速建立。

領(lǐng)芯微MCU內(nèi)置運(yùn)放

TI常用的單電阻采樣電路如下圖：

TI單電阻采樣電路

上圖是經(jīng)典的差分放大電路，DC Bus shunt 是單電阻，R25+R106與R26+R108,R109,R52構(gòu)成差分放大電路，+3.3VD提供直流偏置。

大家需要注意的是，整個(gè)采樣電路，輸入端口僅僅只有C17這一個(gè)差分濾波電容，C84屬于共模噪聲抑制電容。

當(dāng)R25=R26=100ohm, C17=3.3nF, 運(yùn)放輸入和輸出是如下波形：

運(yùn)放穩(wěn)定時(shí)間976ns

運(yùn)放的上升加穩(wěn)定時(shí)間大約是976ns，藍(lán)色是電阻流過(guò)電壓，因?yàn)榫€路板寄生電感以及開(kāi)關(guān)器件的耦合，產(chǎn)生了較大幅度尖峰，所以需要C17進(jìn)行濾波，設(shè)置相對(duì)低的濾波截至頻率，雖然上升時(shí)間較長(zhǎng)，但是可以快速穩(wěn)定，防止運(yùn)放輸出的振蕩。

如下圖，R25=R26=100ohm, C17=330pF, 可以快速上升496ns, 但是運(yùn)放輸出會(huì)振蕩，需要一定的穩(wěn)定時(shí)間。

運(yùn)放輸出振蕩

錯(cuò)峰采樣

前文提過(guò)，單電阻采樣，必須在兩個(gè)非零矢量的時(shí)候分別采樣兩相相電流。如下圖所示，粉紅色是運(yùn)放輸出電壓，因?yàn)檫\(yùn)放電路設(shè)計(jì)合理。所以運(yùn)放輸出快速建立并穩(wěn)定，ADC能夠采樣到真實(shí)電流：

非零矢量錯(cuò)峰采樣

如下圖，如果ADC性能好，采樣電路噪聲小，哪怕采樣窗口僅僅1.24us也能采樣到相電流。這種情況，說(shuō)實(shí)話我覺(jué)得比較極限。一般能做到3us，已經(jīng)很好了。

采樣窗口僅僅1.24us

下圖我是沒(méi)想明白，為什么死區(qū)會(huì)造成電流的延時(shí)出現(xiàn)？這里就必須考慮偏移采樣點(diǎn)。

電流偏移到采樣窗口外

實(shí)際項(xiàng)目，除了合適的采樣窗口和采樣點(diǎn)，電路設(shè)計(jì)，還需要對(duì)采樣增益和采樣偏置進(jìn)行校正，有效提升了采樣精度：

采樣誤差

雙電阻/三電阻采樣

對(duì)于雙電阻或者三電阻采樣，因?yàn)槭窃诹闶噶康闹虚g采樣，可以留出更大的脈寬，所以說(shuō)單電阻采樣對(duì)運(yùn)放帶寬要求更高。

雙電阻采樣點(diǎn)

雙電阻采樣也需要對(duì)采樣增益和采樣偏置作校正，校正前后誤差對(duì)比如下：

雙電阻采樣誤差校正對(duì)比

領(lǐng)芯微參考設(shè)計(jì)

領(lǐng)芯微單電阻采樣

領(lǐng)芯微的單電阻設(shè)計(jì)和TI類似，除了C35的100pF濾波電容，沒(méi)有其他電容。尤其是OPA0N/OPA0P，千萬(wàn)不能對(duì)地加濾波電容，會(huì)直接改變電阻上電壓的波形，最后影響運(yùn)放輸出的建立，采樣失敗。MOS的ds也不要加電容，有可能導(dǎo)致電流波形的畸變，因?yàn)閱坞娮璨蓸訉?duì)電流流過(guò)電阻的信號(hào)是非常敏感的。

C35濾波后電壓直接輸入MCU，內(nèi)置運(yùn)放和差分放大電阻，集成度相當(dāng)高。

運(yùn)放接MCU

運(yùn)放內(nèi)部結(jié)構(gòu)

運(yùn)放的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如上圖，通過(guò)OP0P和OP0N輸入到運(yùn)放，內(nèi)部電阻R1是15k，R2可以從15k到480k通過(guò)寄存器配置，放大倍數(shù)從1到32倍。集成了ADC_REF/2的偏置電壓，運(yùn)放輸出和ADC，比較器，輸出都可以靈活配置。