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

在本文中，我們將研究這兩種安排并討論它們的基本優(yōu)點和缺點。

電阻電流檢測

電阻電流檢測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 與負載串聯(lián)放置，并測量電阻兩端產(chǎn)生的電壓以確定負載電流。 如圖 1 所示。

圖1

電流檢測電阻器，也稱為分流電阻器或簡稱分流電阻器，其值通常在毫歐范圍內(nèi)。 對于非常高電流的應(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。

請注意，即使電阻值很小，分流功耗也可能是一個問題，特別是對于高電流應(yīng)用。 例如，當R=1 mΩ且I=100 A時，分流電阻的功耗為：

較小的電阻值也會導(dǎo)致電阻兩端的壓降很小。 這就是為什么需要一個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，在高端電流檢測中，放大器在共模抑制比（CMRR）規(guī)格方面可能有嚴格的要求。

低側(cè)和高側(cè)檢測

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

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

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

讓我們看看每種方法的優(yōu)缺點是什么。

高端與低端檢測：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，對于高端配置，分流電阻兩端電壓的共模電平非常接近負載電源電壓。

由于用于低側(cè)電流檢測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放大器兩個輸入端共有的信號的衰減程度。 由于低側(cè)電流檢測配置的共模值幾乎為零，因此放大器的CMRR要求顯著放寬，因此可以使用簡單的放大器配置。

圖3所示為可用于低端電流檢測的基本放大器。

圖3

在本例中，放大器由一個運算放大器和兩個增益設(shè)置電阻R1和R2組成。 請注意，這實際上是運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 可以通過以下等式找到：

另一方面，用于高端電流檢測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，并支持高達負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應(yīng)用，例如三相電機控制應(yīng)用，其中負載電源電壓遠大于用于放大器的電源電壓。 因此，在高端檢測配置中，放大器的輸入共模通常需要遠大于其電源電壓，這一要求使放大器設(shè)計非常具有挑戰(zhàn)性。

低邊方法可能導(dǎo)致接地環(huán)路問題

雖然低邊檢測方法簡化了放大器設(shè)計，但它有一些缺點。 低側(cè)電流測量在接地路徑中放置一個額外的電阻。 因此，被監(jiān)控電路的接地處的電位略高于系統(tǒng)接地。 對于某些模擬電路來說，這可能會成為一個問題。

由于被監(jiān)控電路的接地與系統(tǒng)中其他負載的電位不同，因此可能存在接地環(huán)路問題，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)電流檢測通常用于我們處理一個隔離負載或負載對接地噪聲不敏感的應(yīng)用中。 無人機、鉆頭和往復(fù)鋸等應(yīng)用中的成本敏感型電機控制通常采用低邊傳感，以便能夠在消費市場空間中競爭。

低邊法檢測不出故障檢測

存在各種低側(cè)電流檢測無法檢測到的故障情況。 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)過分流電阻。 因此，電流監(jiān)控電路不會檢測到這種故障情況。 低側(cè)電流檢測也無法檢測到受監(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)電流檢測可以檢測分流電阻器下游發(fā)生的故障情況。 如圖 7 所示。

圖 7

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

高側(cè)電流檢測可以簡化布線

低側(cè)電流檢測的另一個缺點是，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，汽車底盤是一個共同的基礎(chǔ)。 由于機箱位于系統(tǒng)地面，我們只需要一根電線為負載供電。 但是，如果通過低側(cè)測量技術(shù)監(jiān)控通過負載的電流，則無法使用系統(tǒng)接地，負載需要兩根導(dǎo)線。 由于高端檢測技術(shù)將系統(tǒng)接地用于監(jiān)控負載，因此不會受到此限制。 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，并且可以通過差動放大器進行更精確的測量。

結(jié)論

低側(cè)檢測的主要優(yōu)點是，可以使用相對簡單的配置來放大分流電阻兩端的電壓。 然而，低側(cè)電流檢測容易受到接地干擾，無法檢測故障情況。 低側(cè)電流檢測通常用于成本敏感的電機控制應(yīng)用，這些應(yīng)用需要能夠在消費市場空間中競爭。