作者简介
从事三相异步电机和永磁同步电机的控制开发工作十余年，精通无感FOC控制。涉及产品包括变频器，伺服，电动工具，吸尘器，螺旋桨，无人机，空压机等。功率范围包括100W~100kW，电压范围包括14VDC~660VAC。
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最近有个朋友提了个疑问，TI的reference design里有个单电阻采样的电路看不明白其用途，发给我研究了一下：
摘取了电路中采样相关的两部分，图1是经典的三相下桥臂采样电路。图2是把三相电路汇总，经过分析，大概是通过直流侧电流来作保护的。看起来似乎和保护无关，本篇文章来详细解析一下直流侧电流的采样和保护。
下面先从传统的过流保护方式说起。
以往电机控制，在工业级应用比如变频器伺服，对成本没有那么敏感，采用的是输出相电流采样的方式，常见的就是穿孔式霍尔电流传感器，大电流下常见的品牌的美国LEM和德国VAC，两家各有特点，尤其VAC的磁探针闭环霍尔技术抗干扰能力强，精度高。
中小功率下，对尺寸有极致要求，又不愿意牺牲采样精度，有贴片的霍尔，依然可以实现+/-100A的采样范围，比如Infineon的TLI4971，8*8的贴片封装采样范围达到+/-120A.
除了霍尔，在成本敏感的应用可以考虑用电阻和隔离运放的方式，比如TI知名的INA240A1，通过对采样shunt两端电压放大并隔离，再送入ADC。
近些年因为消费级产品对成本的敏感，下桥臂采样技术被逐渐开发出来。包括下桥臂三电阻，双电阻，单电阻采样技术。
尤其单电阻采样的问题，比较难以理解。有必要先解释清楚，单电阻采样的原理：
以上图为例，abc三相，开上桥标记为1，开下桥标记为0。当000和111，三相上桥或者下桥同开的时候，三相输出侧是等电位，所以Ia+Ib+Ic=0。记住，这一点容易混淆！在输出侧相线采样，相电流在任何时刻，都遵循Ia+Ib+Ic=0。也就是说，三相的相电流，在任何时刻满足基尔霍夫电流定律。
但是，如果是在三相下桥臂的三电阻采样，那么这个定律很容易让人产生误解。常规的单电阻或者双电阻采样方式，都是在000即三相下桥臂采样的时刻采样的，这个时候三相下桥臂的电阻都有电流流过，所以电阻的压降代表了输出侧相线上的电流。
但是如果不是在000时刻或者111时刻采样呢？
以图9为例，Sa/Sb/Sc代表驱动波形，在V1矢量对应的001时刻，电流以驱动器流向电机作为正方向。此时ab相开下桥，c相开上桥，那么说明相电流是从c相上管流向电机，再从电机通过ab两相的下桥流回驱动器，这个电流流过直流侧的电阻。
说明此时直流侧单电阻流过的压降，代表了（-Ia-Ib），再结合任何时刻Ia+Ib+Ic=0的定律，此时电阻上的压降表示了Ic。所以在V1时刻，选取合适的采样点是能够直接采样到Ic。
下面到了V2矢量011，a相开下桥，bc相开上桥。相电流从bc上管流向电机，再从电机通过a相下管流回驱动器。
此时直流侧单电阻的压降代表了（Ib+Ic），即-Ia，所以在V1和V2两个矢量中选取合适的采样点获取了Ia和Ic，再结合任何时刻成立的Ia+Ib+Ic=0可以获取第三相电流。
但是，必须注意的是，如果是三相下桥臂采样，三个采样电阻的压降分别是Ua,Ub,Uc，那么Ua+Ub+Uc=0只有在000或者111的矢量内才成立。因为在011或者001或者其他矢量下，某一相下桥没有打开，那么桥臂电阻上没有电流，其压降是0，所以电阻压降并不能真实地代表当时的相电流，所以除非是000或者111矢量，其他任何矢量下Ua+Ub+Uc=0并不成立。
再回到图2，下图运放最后的输出就是I-TOTAL=1.65V+K*(Ua+Ub+Uc)
1.65V代表了ADC的偏置，K代表运放差分放大的系数，(Ua+Ub+Uc)代表了三相下桥臂采样电阻的压降。首先可以确定的是，这个结果在000和111时刻就是0，是没有任何意义的。这也是读者朋友疑惑的地方，确实如果在000或者111触发对I-TOTAL的采样，结果就是1.65V。
那么唯一的可能性就是在V1或者V2矢量下触发对I-TOTAL的采样，那么其结果是什么呢？我们来看仿真结果：
绿色是三角波计数器，蓝色是直流侧电流，其他颜色是三相相电流。
扇区1，在V2矢量下，单电阻电流幅值对应最大的相电流，极性相反。
扇区4，在V1矢量下，单电阻电流幅值对应最大的相电流，极性相同。
所以，在不同扇区下，V1或者V2时刻，单电阻电流对应了最大的相电流幅值。图2的I-TOTAL，V1或者V2时刻触发采样，实际就是代表了单电阻电流。所以，根据不同扇区，选取V1或者V2合适的时刻触发ADC采样，可以获取实时最大相电流幅值，用于保护。
而且因为有1.65V的偏置存在，所以无论是发电模式下的直流正电流，还是电动模式下的负电流，离散地触发ADC采样都可以有效保护。而连续的比较器触发保护，只能保护电动模式，具体在下文会解释。
TI的做法可以省掉一个直流侧电流，同时保留下桥臂三电阻，通过合适的触发采样方式，获取最大的占空比。可以参考以下文章：
如何提高三电阻采样最大占空比
除了图2的方案，TI在其他reference design也有一些其他的方式去实现保护：
IDC_FB_COMP就是经运放放大的DC电流，和比较器+端的参考电压连续比较，不需要离散的ADC触发采样，所以任意时刻IDC的电流都在和+端参考电压比较。一旦电流超过限制，那么比较器U9输出反转，即可触发MCU的硬件级过流保护，这种保护速度快，不容易被干扰。但是缺点在于必须外置比较器及外围电路，而且因为比较器只能一个触发点，考虑到同样的电流幅值，发电模式和电动模式下，IDC的电压值是不一样的，所以一般只能保护电动模式，不保护发电模式。因为电动模式普遍用得更多，发电模式就靠软件过流保护了。
随着国产半导体的持续发展，现在M0的MCU已经高度集成化了运放和比较器，外围电路只需要搭配几个差分电阻和滤波电容，即可实现电流采样及硬件过流保护，IDC有效值采样。
以领芯微的LCM32F037K6T8为例，96MHz主频，12位ADC采样，内置3个比较器和3个运放。
以领芯微吹风筒双电阻方案为例，下桥臂双电阻采样及直流电流采样只需要如何外围电路，即可把电压信号送入内部运放。
内部运放可以级联，运放输出可以配置偏置，并且通过MCU的复用IO口输出，再经过RC滤波后再输入MCU的ADC，即可采样IDC的有效值：
对于IDC有效值的采样，离散的触发ADC采样再经过软件滤波是不准的，唯一的方式就是IDC硬件信号经过硬件RC滤波再送入ADC采样。
另外运放的输出可以和MCU内部的比较器级联，实现图14的硬件级保护效果。关键是，领芯微的MCU集成度高，配置方便，外围电路简单，尺寸小！
电流检测的具体方案是多样化的，国产半导体的设计趋势是高度集成化，减轻设计的工作量，具有较高的性价比。
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