在电机控制器的设计中，电路板的布局布线至关重要，尤其是电流检测模块的布局布线。合理的布局布线能够提高电流检测的精度和可靠性，从而提升整个电机控制系统的性能。本文将为您详细介绍高 / 低侧、两三相电流检测模块的布局布线相关知识，包括不同检测方式的特点、关键元器件选型、布局、布线、工具设置、输入和输出滤波以及注意事项等方面。
许多电机驱动器产品系列都内置了电流感测功能，大多数采用外部分流电阻作为测量源。将电流感测放大器与驱动器结合，为电机接口提供了一体化解决方案，能以更低成本实现更高质量的电流感测。常见的电流感测拓扑如图 1 所示。
图 1. 电流感测拓扑
内置于这些器件中的集成电流感测放大器 (CSA) 通常分为三类，每类都有其独特优点，后续将详细介绍。
- 单个高侧分流器
高侧电流感测电路如图 2 所示。其好处包括能直接测量来自电源的电流、可检测负载短路以及抗接地干扰。然而，它的一个缺点是需要较高的共模电压。
图 2. 高侧电流感测 - 单个低侧分流器
低侧电流分流器电路如图 3 所示。使用低侧分流器的优点是需要较低的共模电压，但缺点是更容易受到接地噪声的影响，并且无法检测到接地短路。
图 3. 低侧电流感测 - 两相和三相分流放大器
包含两相和三相 CSA 的电路如图 4 所示。这种方式有利于电路板布局布线，因为其共模电压要求较低。此外，它允许单独测量每个通道，可用于更复杂的控制方案，如磁场定向控制。但缺点是对接地噪声的敏感度更高、无法检测接地短路，并且需要更多软件来实现系统总电流。
图 4. 两相和三相 CSA
选择感测电阻时，需要在精度和功耗之间进行权衡。功率级中的大电流会流经感测电阻，因此电阻值必须很小，以降低功率耗散。对于大电流系统，电阻值通常以 mΩ 为单位。例如，驱动 20A 电流并采用 1mΩ 感测电阻的系统将通过该电阻消耗 400mW 功率，此时 CSA 的输入端只接收到 20mV 的信号。增加电阻值可提高信噪比，但会增加功率耗散。
此外，还必须考虑 CSA 的性能参数。在针对系统中坏情况下的电流进行设计时，所选的分流电阻应防止电流感测输入引脚上的电压高于 CSA 的额定值。在正常运行期间，该电压必须保持在规定的差分电压范围参数内。选择感测电阻时，请参阅器件数据表。
对于使用外部增益电阻的器件，如 DRV3201 - Q1，应选择具有高精度的元件。元件不符合要求会导致系统间共模和差模增益的巨大变化。
为尽可能减小布线阻抗，感测电阻的放置应与功率级的元件一致。为降低耦合到电路板上其他布线的可能性，分流电阻也应放置在靠近 CSA 连接件的位置。
对于高侧电流感测，分流电阻应靠近电源与高侧 MOSFET 源极之间的星点。对于使用外部增益电阻的高侧电流感测器件，如 DRV3205 - Q1，分压器中的个电阻应放置在靠近分流电阻的位置，其余元件应放置在离器件近的位置。
对于低侧电流感测，分流电阻应位于低侧 MOSFET 源极与功率级星点接地连接件之间。
对于在两个或三个单独相位上带有分流电阻的系统，分流电阻应放置于相应低侧 MOSFET 的源极与星点接地连接件之间。
必须使用差分对来完成感测信号的布线。在一个差分对中，两个信号在布局中紧密耦合，布线必须从分流电阻或感测电阻并联到 IC 输入端的 CSA，如图 5 所示。
图 5. 感测放大器布线
许多现代 CAD 工具实现了可帮助布局工程师进行 PCB 正确布线的功能。以 AltiumDesigner 工具为例，在初始阶段进行 PCB 布线时，这些指南有助于在进行感测电阻布线时指出哪些元件布线会具有欺骗性。对于低侧分流电阻，负输入可能会直接接地，而正输入会直接连接到低侧源极引脚。为避免这种情况，应在器件和分流电阻之间放置一个网带连接组件，这样设计人员就可在布局期间而不是在布线期间设置布线限制，如图 6 所示。
图 6. 网带连接组件放置示例
使用差分对的布局技术会对两个紧密耦合的信号进行平行布线，从而降低共模噪声。TI 建议使用差分对进行从分流电阻到 CSA 的信号布线。为了进一步降低噪声耦合，请勿让对噪声敏感的布线与有噪声（开关）的信号布线平行。
检测放大器的输入和输出滤波器应尽可能靠近检测放大器放置。这样放置可确保器件接收到的不良噪声被限制在滤波器和检测放大器之间。图 7 为输入滤波器（C40、R30 和 R31）的示例布局，图 8 为输入和输出滤波器的实际布局。
图 7. 输入和输出滤波器原理图
图 8. 输入和输出滤波器布局
设计电机驱动器的电路板布局布线时，请遵循以下原则：
- 使用开尔文连接，以提高测量的准确性。
- 使布局对称，减少电磁干扰。
- 闭合所有连接，确保电路的完整性。
- 使用网络节点和差分布线工具，优化布线效果。
