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電阻電流檢測：低側與高側檢測
電阻電流檢測：低側與高側檢測
許多應用，例如電源管理、電池充電、電機控制和過流保護，都可以從電阻電流檢測中受益。將電流檢測電阻器與負載串聯放置有兩種選擇：低側和高側電流檢測。
電阻電流檢測
在處理低至中等電流水平時，電阻電流檢測廣泛用于印刷電路板組件。使用這種技術，將一個已知的電阻 R分流器與負載串聯，并測量電阻兩端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為分流器，通常具有毫歐范圍內的值。對于非常大的電流應用，分流電阻的值甚至可能是幾分之一毫歐，以減少電阻消耗的功率。
請注意，即使電阻值很小，分流功耗也可能是一個問題，尤其是對于大電流應用。例如，當 R=1 mΩ 且 I= 100 A 時，分流電阻器消耗的功率為：
\[P = R \times I^2 = 0.001 \times 100^2 = 10 W\]
一個小的電阻值也會導致電阻兩端的電壓降很小。這就是為什么需要放大器將分流電阻器上產生的小電壓轉換為適合上游電路的足夠大的電壓的原因。
我們將討論，在高側電流檢測中，放大器在共模抑制比 (CMRR) 規范方面可能有嚴格的要求。
低邊和高邊感應
將分流電阻器與負載串聯放置有兩種選擇。這兩種安排被稱為低側和高側電流檢測方法，如圖 2 所示。
圖 2. (a)低側電流檢測和(b)高側電流檢測技術。
在低側配置中，電流檢測電阻器 (R shunt ) 放置在電源的接地端子和負載的接地端子之間。對于高邊方法，分流電阻放置在電源的正極和負載的電源輸入之間。
讓我們看看每種方法的優缺點是什么。
高端與低端感應：共模值
假設 R shunt =1 mΩ 且 I = 100 A。即使有這么大的電流，分流電阻上的壓降也僅為 100 mV。因此，低側分流電阻器兩端電壓的共模值僅略高于地電位。而且，對于高側配置，分流電阻器兩端的電壓的共模電平非常接近負載電源電壓。
由于低側電流檢測中使用的放大器處理小的共模電壓，因此不需要高共模抑制比 (CMRR)。共模抑制比指定放大器對放大器兩個輸入共有的信號表現出多少衰減。由于低側電流檢測配置的共模值幾乎為零，因此放大器 CMRR 要求顯著放寬，因此可以使用簡單的放大器配置。
圖 3 顯示了一個可用于低側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置電阻器 R1 和 R2 組成。請注意，這實際上是運算放大器的同相配置。這個放大器更熟悉的原理圖如下所示：
圖 4
輸出是 V分流器的放大版本，可以通過以下等式找到：
\[V_{out} = \left(1 + \frac{R_2}{R_1}\right) V_{in} = \left(1 + \frac{R_2}{R_1}\right) V_{shunt}\]
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。放大器應具有高 CMRR，以防止大的共模輸入出現在輸出端。這就是為什么需要專門的放大器配置來檢測高端電流的原因。這些放大器應具有高 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，有許多高側電流檢測應用，例如三相電機控制應用，其中負載電源電壓遠大于用于放大器的電源電壓。因此，在高側感測配置中，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計非常具有挑戰性。
低邊方法會導致接地環路問題
盡管低側檢測方法簡化了放大器設計，但它也有一些缺點。低側電流測量在接地路徑中放置了一個額外的電阻器。因此，被監控電路的接地電位略高于系統接地電位。這可能成為某些模擬電路的問題。
由于受監控電路的接地與系統中的其他負載的電位不同，因此可能存在接地環路問題，導致可聽見的噪聲，例如嗡嗡聲，甚至干擾附近的設備。由于這一限制，低側電流檢測通常用于處理一個隔離負載或負載對接地噪聲不敏感的應用中。無人機、鉆機和往復鋸等應用中對成本敏感的電機控制通常采用低側傳感，以便能夠在消費市場領域競爭。
低邊方法無法檢測故障檢測
存在低側電流檢測無法檢測到的各種故障情況。圖 5 顯示了一個示例，其中受監控電路的電源與系統接地之間發生短路。
圖 5
故障電流 I short直接從總線電壓流向系統接地，不通過分流電阻。因此，電流監控電路不會檢測到這種故障情況。低側電流檢測也無法檢測到受監控電路的接地與系統接地之間的短路（圖 6）。
圖 6
但是，高端電流檢測可以檢測分流電阻器下游發生的故障情況。如圖 7 所示。
圖 7
在這種情況下，故障電流通過分流電阻。因此，電流測量電路可以檢測短路情況并觸發適當的糾正措施。
高端電流檢測可簡化接線
低側電流檢測的另一個缺點是，即使系統接地可用，也需要兩根電線為受監控電路供電。例如，在汽車應用中，汽車底盤用作公共接地。由于機箱位于系統地平面，我們只需要一根電線來為負載供電。但是，如果通過低側測量技術監測通過負載的電流，則不能使用系統接地，并且負載需要兩根導線。由于高端傳感技術使用系統接地作為受監控負載，因此不受此限制。這就是為什么高端傳感更適合汽車應用的原因。
我們將更詳細地研究圖 3 中的原理圖。我們將看到這種結構也容易受到 PCB 走線電阻的影響，并且可以通過差分放大器進行更準確的測量。