測量電流以確定電池狀態或負載（如電機、燈或子系統）消耗的功率是一項常見的電路要求。雖然有多種方法可以做到這一點，例如使用霍爾效應傳感器或電感式電流探頭，但迄今為止最流行的方法是使用已知值的電阻器與負載串聯，并測量其兩端的電壓（圖 1）。然后，快速應用歐姆定律（I = V/R）可以根據需要計算電流和功率（請注意，該電阻通常稱為分流電阻器，盡管它不會“分流”電流）。

圖1.乍一看，通過電阻器進行電流檢測只是歐姆定律V=IR的基本應用

雖然這個概念簡單有效，但實際實施提出了三個沒有單一“正確”答案的問題。相反，它們是平衡各種權衡與優先級和實用性的設計困境的另一個案例。我們簡單看一下這三個問題：

1） 這個電阻器放在哪里？

顯而易見的地方是負載和電路之間（通常稱為“接地”，但由于各種原因，這通常是用詞不當;圖2）。這種低邊檢測在電氣上是最簡單的方法，因為電阻兩端測量其電壓的模擬電路也可以連接到公共（地）。

圖2.在低側檢測中，檢測電阻放置在負載和地之間（共模），這簡化了相關電路，但帶來了負載和系統問題

但是，這種安排存在固有的問題。首先，負載現在不再接地，這會導致各種性能和環路穩定性問題。即使這些缺點是可以接受的，在許多實際情況下，負載在物理上附著在地面上（想想汽車中的啟動電機，它用螺栓固定在車架上）。另一種方法是高端檢測，其中電阻位于電源軌和負載之間（圖 3）。

圖3.高端檢測最大限度地減少了負載和系統問題，但在測量電阻兩端的電壓時帶來了與共模電壓和系統完整性相關的新問題

這消除了未接地負載的問題，但意味著檢測電路現在浮動在地上，標準運算放大器無法容忍這種拓撲結構。這就引出了第二個問題。

2） 什么可以用來檢測電阻兩端的電壓？

由于檢測電阻不再接地（共模），其放大器必須檢測其輸入端兩端的電壓，而兩個輸入端均不在參考地。這需要一個稱為差分放大器的特殊放大器（一種標準的、廣泛使用的設備，它是一種設計用于測量電位差（電壓的正式和指示性名稱）的放大器，無論該差值相對于接地的位置如何 - 最高可達某個電壓電平，稱為共模電壓（SMV））。

每個差動放大器在測量差分電壓時都有一個可以承受的最大共模電壓;典型值為50 V。如果負載兩端的壓降（視為電阻兩端共有的電壓）大于最大額定值，差分放大器將飽和，無法進行電壓測量，甚至可能損壞。

如果共模電壓對于差分放大器來說太大，則需要更先進的方法。一種方法是使用浮動隔離放大器，該放大器與系統接地沒有電氣連接（圖 4）。隔離放大器可以承受數百甚至數千伏的電壓，但它們比基本的差分放大器更昂貴。

圖4.隔離放大器消除了高端檢測問題，甚至可能要求安全，但增加了元件成本

然而，與差分放大器相比，它們確實具有很大的優勢。如果差動放大器發生故障并在內部短路，則其輸出端將出現全電源軌電壓。這可能會燒毀連接的電路，甚至可能對用戶造成危險（請注意，安全限制往往在 60 V 左右生效，具體取決于要滿足的應用、國家和標準）。相比之下，隔離放大器不僅可以承受數千伏的共模電壓，而且其設計本身可以防止輸入至輸出短路，從而保護系統和用戶。

3） 使用什么值的電流檢測電阻？

在這里，我們有一個很容易陳述的工程困境，需要判斷最可接受的答案。電阻兩端的電壓是目標參數，通常在系統時鐘、電機、各種負載甚至附近系統存在噪聲的情況下進行測量。因此，為了最大限度地提高電壓讀數的分辨率、精度和SNR，首選更大值的電阻器。

但是，另一方面，較高值電阻在給定電流下有兩個負值：首先，它減去電源軌電壓，從而減去可以輸送到負載的功率。其次，它還耗散了更多的功率（I2R 損耗），表示浪費功率并引起自熱。即使可以容忍損耗和低效率，自發熱也會由于其電阻溫度系數（TCR）而改變電阻值本身。這種TCR問題在高于幾安培的較高電流水平下更為嚴重。基本的低成本電阻具有相當高的TCR，因此讀取精度會受到電流本身的偏差。另一種方法是指定一種特殊的低TCR電阻器，該電阻器是使用獨特的配方為此目的制造的。

在大多數設計中評估這些權衡時，可接受的SNR與過度耗散和TCR引起的誤差之間的最佳平衡點是允許檢測電阻兩端的最大壓降約為100 mΩ，無論電源軌電壓或電流消耗如何（當然也有例外）。因此，為負載提供高達1 A電流的電源軌將使用0.1 Ω （100 mΩ）。

電流檢測電阻器供應商確實制造了如此低的值甚至更低的電阻，例如TT Electronics的EBW系列，其尺寸為25至500 μΩ，功耗為3W，容量為200 A，TCR低于200 ppm/°C。 即使是這些極端低阻值的電阻器，通常也不能在不考慮其安裝和連接的情況下插入電路，因為它們與連接線之間幾mΩ的典型接觸電阻可能過大。因此，傳感器放大器-引線連接至關重要，可能需要開爾文連接。

這個簡短的討論再次證明，僅僅因為某些東西背后有一個簡單的概念并不意味著它會很容易很好地執行。這就是工程挑戰的本質。