解析单电阻采样的原理以及注意点是什么（解析单电阻采样的原理以及注意点有哪些）

前言：

双电阻和三电阻的采样方案比较常见，原理也比较简单。随着成本压力和技术进步，单电阻采样方法变得越来越普遍。

正文：

双电阻和三电阻，为了采样三相电流，必须在零矢量时刻采样。在Ia+Ib+Ic=0的前提下，三相电流形成回路。

单电阻采样不能在零矢量时刻采样，因为在零矢量时刻，唯一的直流电阻采样的电流为零。

另一方面，单电阻采样必须在非零矢量矩处执行。

100 个矢量

七段SVPWM模式下，矢量为100时，A相导通上管，B/C相导通下管。

在电动模式下，电流从A 相高侧MOSFET 流入电机，然后从电机流入B/C 低侧MOSFET。

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

无论上述情况如何，流经直流采样电阻的直流电流为Ib和Ic。根据Ia+Ib+Ic=0的前提，可以对Ia进行采样。

110矢量

七段SVPWM模式下，使用110矢量时，A/B相开上管，C相开下管。

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

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

不管以上情况，DC-DC电流都是Ic，然后对Ic进行采样。

因此，在同一开关周期内，在两个非零矢量下，直流电流根据不同的矢量代表不同的相电流。矢量与相电流的对应关系如下：

矢量与相电流的对应关系

一个开关周期内有两个样本

如上图所示，在000和111向量下，直流电流为零。此时对直流电阻电压进行采样，只能作为电流采样偏置。

在101和100矢量下，可以分别对相电流进行两次采样，并且由于矢量不同，所以不可能对同一相电流进行两次采样。

对于一次性采样行为，矢量分为两段，一段是相电流的上升和稳定时间，另一段是在进行ADC 采样之前电流稳定的时间。因此，采样点并不固定，采样电流及对应关系也与SVPWM矢量密切相关。

电流采样环路延迟

电流采样的延迟具体包括以下几个环节：

Tr 上升时间由运放的压摆率决定，us电平

Ts 运放输出稳定时间，us 电平

TPD MOS栅极驱动器的传播延迟，ns级

TSH ADC 采样、保持、转换时间、us 电平

TDT开关器件的开关延迟和死区，us级

一般情况下，在确定采样点时，需要考虑上述延迟。因为所有的采样点都是根据MCU的计数器来确定的，但是最终执行到开关元件再到最后的运放建立输出时存在上述延迟。重点是运算放大器的输出，以及开关器件执行的延迟和死区时间引起的偏移。

另外，ADC触发采样后，应预留足够的宽度用于ADC的保持和转换。

当在某些矢量情况下采样宽度不够时，必须对计算出的矢量进行偏移，以移动足够的脉冲宽度以进行采样。这就是单电阻采样的难点。

压摆率：

压摆率直接决定运放从输入到输出上升的时间。其稳定时间取决于运算放大器的带宽、增益和精度等其他指标。

运算放大器输入到输出

以上图为例，绿色为检测电压，到运放的1.2V输出有800ns的延迟，表明其压摆率为：1.2V/800ns=1.5V/us，即一个低指标。

以凌芯微的LCM32F037系列为例，压摆率达到5V/us，保证运放输出能够快速建立。

联芯微型MCU内置运放

TI常用的单电阻采样电路如下：

TI单电阻采样电路上图是经典的差分放大电路。直流母线分流器是单个电阻器。 R25+R106和R26+R108、R109、R52组成差分放大电路。 +3.3VD 提供直流偏置。

大家需要注意的是，整个采样电路的输入端口只有一颗差分滤波电容C17，C84是共模噪声抑制电容。

当R25=R26=100ohm，C17=3.3nF时，运放输入输出波形如下：

运放稳定时间976ns

运放的上升和稳定时间约为976ns。蓝色是流过电阻的电压。由于电路板的寄生电感和开关器件的耦合，会产生较大的尖峰，因此需要C17进行滤波，并设置较低的滤波器截止频率。虽然上升时间较长，但能快速稳定，防止运放输出振荡。

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

运放输出振荡

错峰采样

如前所述，当有两个非零矢量时，单电阻采样必须采样两相电流。如下图所示，粉色是运放的输出电压，因为运放电路设计得当。因此，运放输出很快建立并稳定，ADC 可以采样实际电流：

非零矢量峰值偏移采样

如下图所示，如果ADC性能好，采样电路噪声小，即使采样窗口只有1.24us也能采样到相电流。这种情况，说实话，我觉得还是比较极端的。一般可以做到3us，已经很不错了。

采样窗口仅为1.24us

下图中，我不明白为什么死区会导致电流延迟出现？这里必须考虑偏移采样点。

采样窗口外的电流偏移

实际项目中，除了适当的采样窗口、采样点数、电路设计外，还需要对采样增益和采样偏置进行修正，有效提高采样精度：

抽样误差

双电阻/三电阻采样

对于双阻或三阻采样，由于采样是在零向量的中间进行，可以留下更大的脉冲宽度，因此单阻采样需要更高的运放带宽。

双电阻采样点

双阻采样还需要校正采样增益和采样偏移。修正前后的误差对比如下：

双电阻采样误差校正比较

领芯微参考设计

凌芯微单电阻采样

凌芯微的单电阻设计与TI类似。除C35的100pF滤波电容外，没有其他电容。特别是OPA0N/OPA0P，绝对不能加滤波电容到地。这将直接改变电阻上电压的波形，最终影响运放输出的建立，导致采样失败。不要在MOS DS上加电容，这可能会导致电流波形失真，因为单电阻采样对流经电阻的电流信号非常敏感。

C35滤波后的电压直接输入MCU，内置运算放大器和差分放大电阻，集成度相当高。

连接到MCU 的运算放大器

运放内部结构

运放的内部结构如上图所示。它通过OP0P和OP0N输入到运放。内部电阻R1为15k。 R2可通过寄存器配置为15k~480k，放大倍数为1~32倍。 ADC_REF/2、运放输出和ADC、比较器和输出的集成偏置电压可灵活配置。