Medição de corrente com shunt usando OPAMP1..3 + ADC no STM32G484CETx

Este tutorial descreve como usar os OPAMPs internos OPAMP1, OPAMP2, OPAMP3 do STM32G484CETx para medir a corrente nos resistores shunt do projeto, e como calcular:

a corrente em cada shunt;
a queda de tensão no shunt;
a tensão efetiva do barramento após a queda.

A referência principal é a configuração do CubeMX (firmware_UCE.ioc) e o esquemático (UCE_board.kicad_sch).

1) Visão geral do hardware (shunts e sinais)

No esquemático, os shunts de medição são:

R2: shunt do barramento 3.3V
R3: shunt do barramento 5V
R4: shunt do barramento 12V

Cada shunt tem dois pontos de medição (antes/depois do shunt), nomeados no .ioc como “in” e “out” (pontos Kelvin/sense).

1.1) Part number / família do shunt

No esquemático, os shunts são da família ROHM GMR-E (ex.: GMR320...). O símbolo indica a família GMR320HJAAFD5L00 e o campo Datasheet aponta para gmr-e.pdf.

Observação prática: no arquivo do esquemático aparecem variações no campo Value:

R2: GMR320HJAAFM5L00
R3: GMR320HJAAFS5L00
R4: GMR320HJAAFE5L00

O datasheet mostra que esses códigos são usados para identificar variações de resistência/tolerância dentro da mesma série.

1.1.1) Como extrair `Rshunt` pelo código (conforme `gmr-e.pdf`)

O datasheet apresenta a estrutura do código do produto, onde aparecem:

a série/tamanho (ex.: GMR320 = 7142 / 2817, alta potência)
o código de tolerância (ex.: F = ±1%)
um special code que define valores típicos de resistência (ex.: D = 5mΩ, E = 15mΩ/150mΩ, M = 33mΩ, S = 56mΩ, etc.)
um código de resistência (no exemplo do datasheet aparecem códigos como 10L0, R015, R100)

Como o campo Value do esquemático contém apenas o part number completo (sem a tabela ao lado), a forma mais segura é:

confirmar Rshunt no BOM/compra (Mouser/nota fiscal/etiqueta do reel) ou
decodificar pelo datasheet (usando as tabelas de special code e do código de resistência).

Para cálculo no firmware, defina Rshunt_3v3, Rshunt_5v, Rshunt_12v explicitamente (em ohms) e não “assuma” pelo part number.

2) Mapeamento de pinos (conforme `firmware_UCE.ioc`)

O CubeMX está configurado para usar os OPAMPs como front-end e ler a saída deles via canais internos do ADC:

2.1) OPAMP1 + ADC1 (shunt 3.3V)

OPAMP1_VINP: PA1 (label: shunt_3v3_in)
OPAMP1_VINM0: PA3 (label: shunt_3v3out)
ADC1: canal ADC_CHANNEL_VOPAMP1

2.2) OPAMP2 + ADC2 (shunt 5V)

OPAMP2_VINP: PA7 (label: shunt_5v_in)
OPAMP2_VINM0: PA5 (label: shunt_5v_out)
ADC2: canal ADC_CHANNEL_VOPAMP2

2.3) OPAMP3 + ADC3 (shunt 12V)

OPAMP3_VINP: PB0 (label: shunt_12v_in)
OPAMP3_VINM0: PB2 (label: shunt_12v_out)
ADC3: canal ADC_CHANNEL_VOPAMP3_ADC3

3) Configuração do ADC (como está no projeto)

No código gerado (Core/Src/adc.c), todos os ADCs estão em:

resolução 12 bits (ADC_RESOLUTION_12B)
alinhamento à direita
conversão por software start (ADC_SOFTWARE_START)
1 conversão por sequência (NbrOfConversion = 1)
amostragem: ADC_SAMPLETIME_12CYCLES_5

Importante: o adc.c está configurado para ler os canais internos VOPAMP1, VOPAMP2, VOPAMP3.

4) Configuração do OPAMP (como usar no STM32G4)

No estado atual do repositório, Core/Src/opamp.c contém apenas as funções MX_OPAMP1_Init(), MX_OPAMP2_Init(), MX_OPAMP3_Init() vazias.

Isso significa que:

o roteamento dos pinos está definido no .ioc;
o ADC está pronto para ler VOPAMPx;
mas falta inicializar e habilitar os OPAMPs (seleção de modo, entrada, ganho e start).

Recomendações para configurar no CubeMX (STM32G4 OPAMP):

Modo: para medir shunt normalmente você usa o OPAMP como amplificador (PGA) ou como amplificador não inversor com ganho definido.
Ganho: selecione um ganho tal que a queda de tensão máxima no shunt, multiplicada pelo ganho, não ultrapasse VREF do ADC.
Saída interna para ADC: habilite a conexão para que o ADC leia VOPAMPx.

Como o ganho não está explicitado no .ioc atual, os cálculos abaixo são apresentados de forma parametrizada por G (ganho do OPAMP) e por Vref (referência do ADC).

4.1) Calibração de offset (recomendado)

Mesmo em medição unidirecional, offsets podem aparecer (offset do OPAMP/ADC, pequenas diferenças de referência e assimetria dos pontos Kelvin).

Sugestão simples:

com a carga desligada (corrente ~0A), capture adc_raw_zero por canal;
converta para Vopamp_out_zero;
use Vopamp_out_corrigido = Vopamp_out - Vopamp_out_zero antes de calcular Vshunt.

5) Conversão ADC -> tensão

Para um ADC de 12 bits:

ADC_FS = 4095

A tensão equivalente na entrada do ADC (ou seja, na saída do OPAMP) é:

Vopamp_out = (adc_raw / 4095) * Vref

Onde Vref normalmente é ~3.3V (dependendo de como VREF+ está alimentado no hardware).

6) Cálculo da corrente no shunt

6.1) Relação entre Vopamp_out e a queda no shunt

Em uma medição típica de shunt, você quer estimar:

Vshunt = V(in) - V(out)

Se o OPAMP estiver configurado para produzir na saída um sinal proporcional à queda no shunt com ganho G:

Vopamp_out = G * Vshunt

então:

Vshunt = Vopamp_out / G

Observação: dependendo do modo escolhido no CubeMX (PGA, follower, etc.) pode existir offset/CM. Se você usar offset (ex.: para permitir correntes bidirecionais), ajuste a equação para subtrair o offset antes de dividir por G.

6.2) Corrente

A corrente no shunt é:

I = Vshunt / Rshunt

Substituindo:

I = (Vopamp_out / G) / Rshunt
I = Vopamp_out / (G * Rshunt)

Com Rshunt em ohms.

7) Queda de tensão e tensão efetiva do barramento

Uma vez calculada a corrente I:

queda no shunt: Vdrop = I * Rshunt

Se Vbus_in é a tensão antes do shunt e Vbus_out é a tensão após o shunt:

Vbus_out = Vbus_in - Vdrop

Se você considera o barramento nominal como 3.3V/5V/12V e quer estimar a tensão efetiva disponível depois do shunt:

Vbus_eff_3v3 = 3.3 - Vdrop_3v3
Vbus_eff_5v = 5.0 - Vdrop_5v
Vbus_eff_12v = 12.0 - Vdrop_12v

Isso é especialmente útil para avaliar perda por consumo elevado.

8) Exemplo numérico (didático)

Suponha:

Vref = 3.3 V
G = 16 (exemplo de ganho)
Rshunt = 5 mΩ = 0.005 Ω (exemplo)
adc_raw = 620

1) Tensão na saída do OPAMP:

Vopamp_out = (620/4095) * 3.3 ≈ 0.499 V

2) Queda no shunt:

Vshunt = 0.499 / 16 ≈ 0.0312 V

3) Corrente:

I = 0.0312 / 0.005 ≈ 6.24 A

4) Queda e tensão efetiva (por exemplo no barramento 5V):

Vdrop = 6.24 * 0.005 ≈ 0.0312 V
Vbus_eff = 5.0 - 0.0312 ≈ 4.969 V

9) Implementação sugerida (estrutura do algoritmo)

Para cada barramento (3.3V, 5V, 12V), faça:

ler adc_raw do ADC correspondente (ADC1/ADC2/ADC3);
converter para Vopamp_out;
converter para Vshunt dividindo por G (e removendo offset, se existir);
converter para I dividindo por Rshunt;
calcular Vdrop = I * Rshunt;
calcular Vbus_eff = Vbus_nominal - Vdrop.

Parâmetros que devem ser definidos no firmware:

Vref (em volts)
G1, G2, G3 (ganhos dos OPAMPs)
Rshunt_3v3, Rshunt_5v, Rshunt_12v (ohms)

10) Referência de vídeo

https://www.youtube.com/watch?v=kzecsy9Qnhc