电阻电流检测：低侧与高侧检测

电源管理、电池充电、电机控制和过流保护等许多应用都可以从电阻电流检测中受益。 电流检测电阻器与负载串联有两种选择：低侧和高侧电流检测。

在本文中，我们将研究这两种安排并讨论它们的基本优点和缺点。

电阻电流检测

电阻电流检测广泛用于印刷电路板组件，用于处理低到中等电流水平。 使用这种技术，已知电阻R。分流 与负载串联放置，并测量电阻两端产生的电压以确定负载电流。 如图 1 所示。

图1

电流检测电阻器，也称为分流电阻器或简称分流电阻器，其值通常在毫欧范围内。 对于非常高电流的应用，分流电阻器的值甚至可能只有几分之一毫欧姆，以降低电阻器的功耗。

请注意，即使电阻值很小，分流功耗也可能是一个问题，特别是对于高电流应用。 例如，当R=1 mΩ且I=100 A时，分流电阻的功耗为：

较小的电阻值也会导致电阻两端的压降很小。 这就是为什么需要一个放大器将分流电阻器两端产生的小电压转换为适合上游电路的足够大的电压。

我们将讨论，在高端电流检测中，放大器在共模抑制比（CMRR）规格方面可能有严格的要求。

低侧和高侧检测

有两种选择可用于将分流电阻器与负载串联。 这两种布置称为低侧和高侧电流检测方法，如图2所示。

*图2.（一） 低侧电流检测和 （二） 高端电流检测技术。 *

在低侧配置中，电流检测电阻（R 分流 ） 放置在电源的接地端子和负载的接地端子之间。 采用高端方法时，分流电阻放置在电源的正端和负载的电源输入之间。

让我们看看每种方法的优缺点是什么。

高端与低端检测：共模值

假设 R 分流 =1 mΩ 和 I= 100 A。 即使电流如此之大，分流电阻两端的压降也仅为100 mV。 因此，低压侧分流电阻两端的电压共模值仅略高于地电位。 而且，对于高端配置，分流电阻两端电压的共模电平非常接近负载电源电压。

由于用于低侧电流检测的放大器处理小共模电压，因此不需要具有高共模抑制比（CMRR）。 共模抑制比指定放大器对放大器两个输入端共有的信号的衰减程度。 由于低侧电流检测配置的共模值几乎为零，因此放大器的CMRR要求显著放宽，因此可以使用简单的放大器配置。

图3所示为可用于低端电流检测的基本放大器。

图3

在本例中，放大器由一个运算放大器和两个增益设置电阻R1和R2组成。 请注意，这实际上是运算放大器的同相配置。 该放大器更熟悉的原理图如下所示：

图4

输出是V的放大版本分流 可以通过以下等式找到：

另一方面，用于高端电流检测的放大器需要处理较大的共模电压。 放大器应具有高CMRR，以防止输出端出现大共模输入。 这就是为什么高端电流检测需要专门的放大器配置。 这些放大器应具有高CMRR，并支持高达负载电源电压的输入共模范围。

值得一提的是，有许多高端电流检测应用，例如三相电机控制应用，其中负载电源电压远大于用于放大器的电源电压。 因此，在高端检测配置中，放大器的输入共模通常需要远大于其电源电压，这一要求使放大器设计非常具有挑战性。

低边方法可能导致接地环路问题

虽然低边检测方法简化了放大器设计，但它有一些缺点。 低侧电流测量在接地路径中放置一个额外的电阻。 因此，被监控电路的接地处的电位略高于系统接地。 对于某些模拟电路来说，这可能会成为一个问题。

由于被监控电路的接地与系统中其他负载的电位不同，因此可能存在接地环路问题，导致可听噪声，例如嗡嗡声，甚至干扰附近设备。 由于这种限制，低侧电流检测通常用于我们处理一个隔离负载或负载对接地噪声不敏感的应用中。 无人机、钻头和往复锯等应用中的成本敏感型电机控制通常采用低边传感，以便能够在消费市场空间中竞争。

低边法检测不出故障检测

存在各种低侧电流检测无法检测到的故障情况。 图5所示为监控电路的电源与系统接地之间发生短路的示例。

图5

故障电流 I 短从总线电压直接流向系统地，不经过分流电阻。 因此，电流监控电路不会检测到这种故障情况。 低侧电流检测也无法检测到受监控电路的接地与系统接地之间的短路（图 6）。

图 6

但是，高侧电流检测可以检测分流电阻器下游发生的故障情况。 如图 7 所示。

图 7

在这种情况下，故障电流会流过分流电阻。 因此，电流测量电路可以检测短路情况并触发适当的纠正措施。

高侧电流检测可以简化布线

低侧电流检测的另一个缺点是，即使系统接地可用，也需要两根导线为监控电路供电。 例如，在汽车应用中，汽车底盘是一个共同的基础。 由于机箱位于系统地面，我们只需要一根电线为负载供电。 但是，如果通过低侧测量技术监控通过负载的电流，则无法使用系统接地，负载需要两根导线。 由于高端检测技术将系统接地用于监控负载，因此不会受到此限制。 这就是高端传感更适合汽车应用的原因。

在下一篇文章中，我们将更详细地研究图3中的原理图。 我们将看到这种结构也容易受到PCB走线电阻的影响，并且可以通过差动放大器进行更精确的测量。

结论

低侧检测的主要优点是，可以使用相对简单的配置来放大分流电阻两端的电压。 然而，低侧电流检测容易受到接地干扰，无法检测故障情况。 低侧电流检测通常用于成本敏感的电机控制应用，这些应用需要能够在消费市场空间中竞争。