電阻電流檢測(cè)：低側(cè)與高側(cè)檢測(cè)

電源管理、電池充電、電機(jī)控制和過(guò)流保護(hù)等許多應(yīng)用都可以從電阻電流檢測(cè)中受益。 電流檢測(cè)電阻器與負(fù)載串聯(lián)有兩種選擇：低側(cè)和高側(cè)電流檢測(cè)。

在本文中，我們將研究這兩種安排并討論它們的基本優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

電阻電流檢測(cè)

電阻電流檢測(cè)廣泛用于印刷電路板組件，用于處理低到中等電流水平。 使用這種技術(shù)，已知電阻R。分流 與負(fù)載串聯(lián)放置，并測(cè)量電阻兩端產(chǎn)生的電壓以確定負(fù)載電流。 如圖 1 所示。

圖1

電流檢測(cè)電阻器，也稱為分流電阻器或簡(jiǎn)稱分流電阻器，其值通常在毫歐范圍內(nèi)。 對(duì)于非常高電流的應(yīng)用，分流電阻器的值甚至可能只有幾分之一毫歐姆，以降低電阻器的功耗。

請(qǐng)注意，即使電阻值很小，分流功耗也可能是一個(gè)問(wèn)題，特別是對(duì)于高電流應(yīng)用。 例如，當(dāng)R=1 mΩ且I=100 A時(shí)，分流電阻的功耗為：

較小的電阻值也會(huì)導(dǎo)致電阻兩端的壓降很小。 這就是為什么需要一個(gè)放大器將分流電阻器兩端產(chǎn)生的小電壓轉(zhuǎn)換為適合上游電路的足夠大的電壓。

我們將討論，在高端電流檢測(cè)中，放大器在共模抑制比（CMRR）規(guī)格方面可能有嚴(yán)格的要求。

低側(cè)和高側(cè)檢測(cè)

有兩種選擇可用于將分流電阻器與負(fù)載串聯(lián)。 這兩種布置稱為低側(cè)和高側(cè)電流檢測(cè)方法，如圖2所示。

*圖2.（一） 低側(cè)電流檢測(cè)和 （二） 高端電流檢測(cè)技術(shù)。 *

在低側(cè)配置中，電流檢測(cè)電阻（R 分流 ） 放置在電源的接地端子和負(fù)載的接地端子之間。 采用高端方法時(shí)，分流電阻放置在電源的正端和負(fù)載的電源輸入之間。

讓我們看看每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)是什么。

高端與低端檢測(cè)：共模值

假設(shè) R 分流 =1 mΩ 和 I= 100 A。 即使電流如此之大，分流電阻兩端的壓降也僅為100 mV。 因此，低壓側(cè)分流電阻兩端的電壓共模值僅略高于地電位。 而且，對(duì)于高端配置，分流電阻兩端電壓的共模電平非常接近負(fù)載電源電壓。

由于用于低側(cè)電流檢測(cè)的放大器處理小共模電壓，因此不需要具有高共模抑制比（CMRR）。 共模抑制比指定放大器對(duì)放大器兩個(gè)輸入端共有的信號(hào)的衰減程度。 由于低側(cè)電流檢測(cè)配置的共模值幾乎為零，因此放大器的CMRR要求顯著放寬，因此可以使用簡(jiǎn)單的放大器配置。

圖3所示為可用于低端電流檢測(cè)的基本放大器。

圖3

在本例中，放大器由一個(gè)運(yùn)算放大器和兩個(gè)增益設(shè)置電阻R1和R2組成。 請(qǐng)注意，這實(shí)際上是運(yùn)算放大器的同相配置。 該放大器更熟悉的原理圖如下所示：

圖4

輸出是V的放大版本分流 可以通過(guò)以下等式找到：

另一方面，用于高端電流檢測(cè)的放大器需要處理較大的共模電壓。 放大器應(yīng)具有高CMRR，以防止輸出端出現(xiàn)大共模輸入。 這就是為什么高端電流檢測(cè)需要專門的放大器配置。 這些放大器應(yīng)具有高CMRR，并支持高達(dá)負(fù)載電源電壓的輸入共模范圍。

值得一提的是，有許多高端電流檢測(cè)應(yīng)用，例如三相電機(jī)控制應(yīng)用，其中負(fù)載電源電壓遠(yuǎn)大于用于放大器的電源電壓。 因此，在高端檢測(cè)配置中，放大器的輸入共模通常需要遠(yuǎn)大于其電源電壓，這一要求使放大器設(shè)計(jì)非常具有挑戰(zhàn)性。

低邊方法可能導(dǎo)致接地環(huán)路問(wèn)題

雖然低邊檢測(cè)方法簡(jiǎn)化了放大器設(shè)計(jì)，但它有一些缺點(diǎn)。 低側(cè)電流測(cè)量在接地路徑中放置一個(gè)額外的電阻。 因此，被監(jiān)控電路的接地處的電位略高于系統(tǒng)接地。 對(duì)于某些模擬電路來(lái)說(shuō)，這可能會(huì)成為一個(gè)問(wèn)題。

由于被監(jiān)控電路的接地與系統(tǒng)中其他負(fù)載的電位不同，因此可能存在接地環(huán)路問(wèn)題，導(dǎo)致可聽噪聲，例如嗡嗡聲，甚至干擾附近設(shè)備。 由于這種限制，低側(cè)電流檢測(cè)通常用于我們處理一個(gè)隔離負(fù)載或負(fù)載對(duì)接地噪聲不敏感的應(yīng)用中。 無(wú)人機(jī)、鉆頭和往復(fù)鋸等應(yīng)用中的成本敏感型電機(jī)控制通常采用低邊傳感，以便能夠在消費(fèi)市場(chǎng)空間中競(jìng)爭(zhēng)。

低邊法檢測(cè)不出故障檢測(cè)

存在各種低側(cè)電流檢測(cè)無(wú)法檢測(cè)到的故障情況。 圖5所示為監(jiān)控電路的電源與系統(tǒng)接地之間發(fā)生短路的示例。

圖5

故障電流 I 短從總線電壓直接流向系統(tǒng)地，不經(jīng)過(guò)分流電阻。 因此，電流監(jiān)控電路不會(huì)檢測(cè)到這種故障情況。 低側(cè)電流檢測(cè)也無(wú)法檢測(cè)到受監(jiān)控電路的接地與系統(tǒng)接地之間的短路（圖 6）。

圖 6

但是，高側(cè)電流檢測(cè)可以檢測(cè)分流電阻器下游發(fā)生的故障情況。 如圖 7 所示。

圖 7

在這種情況下，故障電流會(huì)流過(guò)分流電阻。 因此，電流測(cè)量電路可以檢測(cè)短路情況并觸發(fā)適當(dāng)?shù)募m正措施。

高側(cè)電流檢測(cè)可以簡(jiǎn)化布線

低側(cè)電流檢測(cè)的另一個(gè)缺點(diǎn)是，即使系統(tǒng)接地可用，也需要兩根導(dǎo)線為監(jiān)控電路供電。 例如，在汽車應(yīng)用中，汽車底盤是一個(gè)共同的基礎(chǔ)。 由于機(jī)箱位于系統(tǒng)地面，我們只需要一根電線為負(fù)載供電。 但是，如果通過(guò)低側(cè)測(cè)量技術(shù)監(jiān)控通過(guò)負(fù)載的電流，則無(wú)法使用系統(tǒng)接地，負(fù)載需要兩根導(dǎo)線。 由于高端檢測(cè)技術(shù)將系統(tǒng)接地用于監(jiān)控負(fù)載，因此不會(huì)受到此限制。 這就是高端傳感更適合汽車應(yīng)用的原因。

在下一篇文章中，我們將更詳細(xì)地研究圖3中的原理圖。 我們將看到這種結(jié)構(gòu)也容易受到PCB走線電阻的影響，并且可以通過(guò)差動(dòng)放大器進(jìn)行更精確的測(cè)量。

結(jié)論

低側(cè)檢測(cè)的主要優(yōu)點(diǎn)是，可以使用相對(duì)簡(jiǎn)單的配置來(lái)放大分流電阻兩端的電壓。 然而，低側(cè)電流檢測(cè)容易受到接地干擾，無(wú)法檢測(cè)故障情況。 低側(cè)電流檢測(cè)通常用于成本敏感的電機(jī)控制應(yīng)用，這些應(yīng)用需要能夠在消費(fèi)市場(chǎng)空間中競(jìng)爭(zhēng)。