这个简单的电流检测电阻一点也不简单

测量电流以确定电池状态或负载（如电机、灯或子系统）消耗的功率是一项常见的电路要求。虽然有多种方法可以做到这一点，例如使用霍尔效应传感器或电感式电流探头，但迄今为止最流行的方法是使用已知值的电阻器与负载串联，并测量其两端的电压（图 1）。然后，快速应用欧姆定律（I = V/R）可以根据需要计算电流和功率（请注意，该电阻通常称为分流电阻器，尽管它不会“分流”电流）。

图1.乍一看，通过电阻器进行电流检测只是欧姆定律V=IR的基本应用

虽然这个概念简单有效，但实际实施提出了三个没有单一“正确”答案的问题。相反，它们是平衡各种权衡与优先级和实用性的设计困境的另一个案例。我们简单看一下这三个问题：

1） 这个电阻器放在哪里？

显而易见的地方是负载和电路之间（通常称为“接地”，但由于各种原因，这通常是用词不当;图2）。这种低边检测在电气上是最简单的方法，因为电阻两端测量其电压的模拟电路也可以连接到公共（地）。

图2.在低侧检测中，检测电阻放置在负载和地之间（共模），这简化了相关电路，但带来了负载和系统问题

但是，这种安排存在固有的问题。首先，负载现在不再接地，这会导致各种性能和环路稳定性问题。即使这些缺点是可以接受的，在许多实际情况下，负载在物理上附着在地面上（想想汽车中的启动电机，它用螺栓固定在车架上）。另一种方法是高端检测，其中电阻位于电源轨和负载之间（图 3）。

图3.高端检测最大限度地减少了负载和系统问题，但在测量电阻两端的电压时带来了与共模电压和系统完整性相关的新问题

这消除了未接地负载的问题，但意味着检测电路现在浮动在地上，标准运算放大器无法容忍这种拓扑结构。这就引出了第二个问题。

2） 什么可以用来检测电阻两端的电压？

由于检测电阻不再接地（共模），其放大器必须检测其输入端两端的电压，而两个输入端均不在参考地。这需要一个称为差分放大器的特殊放大器（一种标准的、广泛使用的设备，它是一种设计用于测量电位差（电压的正式和指示性名称）的放大器，无论该差值相对于接地的位置如何 - 最高可达某个电压电平，称为共模电压（SMV））。

每个差动放大器在测量差分电压时都有一个可以承受的最大共模电压;典型值为50 V。如果负载两端的压降（视为电阻两端共有的电压）大于最大额定值，差分放大器将饱和，无法进行电压测量，甚至可能损坏。

如果共模电压对于差分放大器来说太大，则需要更先进的方法。一种方法是使用浮动隔离放大器，该放大器与系统接地没有电气连接（图 4）。隔离放大器可以承受数百甚至数千伏的电压，但它们比基本的差分放大器更昂贵。

图4.隔离放大器消除了高端检测问题，甚至可能要求安全，但增加了元件成本

然而，与差分放大器相比，它们确实具有很大的优势。如果差动放大器发生故障并在内部短路，则其输出端将出现全电源轨电压。这可能会烧毁连接的电路，甚至可能对用户造成危险（请注意，安全限制往往在 60 V 左右生效，具体取决于要满足的应用、国家和标准）。相比之下，隔离放大器不仅可以承受数千伏的共模电压，而且其设计本身可以防止输入至输出短路，从而保护系统和用户。

3） 使用什么值的电流检测电阻？

在这里，我们有一个很容易陈述的工程困境，需要判断最可接受的答案。电阻两端的电压是目标参数，通常在系统时钟、电机、各种负载甚至附近系统存在噪声的情况下进行测量。因此，为了最大限度地提高电压读数的分辨率、精度和SNR，首选更大值的电阻器。

但是，另一方面，较高值电阻在给定电流下有两个负值：首先，它减去电源轨电压，从而减去可以输送到负载的功率。其次，它还耗散了更多的功率（I2R 损耗），表示浪费功率并引起自热。即使可以容忍损耗和低效率，自发热也会由于其电阻温度系数（TCR）而改变电阻值本身。这种TCR问题在高于几安培的较高电流水平下更为严重。基本的低成本电阻具有相当高的TCR，因此读取精度会受到电流本身的偏差。另一种方法是指定一种特殊的低TCR电阻器，该电阻器是使用独特的配方为此目的制造的。

在大多数设计中评估这些权衡时，可接受的SNR与过度耗散和TCR引起的误差之间的最佳平衡点是允许检测电阻两端的最大压降约为100 mΩ，无论电源轨电压或电流消耗如何（当然也有例外）。因此，为负载提供高达1 A电流的电源轨将使用0.1 Ω （100 mΩ）。

电流检测电阻器供应商确实制造了如此低的值甚至更低的电阻，例如TT Electronics的EBW系列，其尺寸为25至500 μΩ，功耗为3W，容量为200 A，TCR低于200 ppm/°C。 即使是这些极端低阻值的电阻器，通常也不能在不考虑其安装和连接的情况下插入电路，因为它们与连接线之间几mΩ的典型接触电阻可能过大。因此，传感器放大器-引线连接至关重要，可能需要开尔文连接。

这个简短的讨论再次证明，仅仅因为某些东西背后有一个简单的概念并不意味着它会很容易很好地执行。这就是工程挑战的本质。