电阻式电流检测：低侧与高侧检测

电阻式电流检测

在处理低到中等电流水平时，电阻式电流感测广泛用于印刷电路板组件。使用这种技术，将已知电阻器 R shunt与负载串联放置，并测量电阻器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为分流器，通常具有毫欧范围内的值。对于电流非常大的应用，分流电阻器的值甚至可能只有几分之一毫欧，以降低电阻器消耗的功率。

请注意，即使使用小电阻值，分流器功耗也可能是一个问题，尤其是对于大电流应用。例如，当 R=1 mΩ 且 I= 100 A 时，分流电阻器消耗的功率为：

P=R×I2=0.001×1002=10WP=R×I2=0.001×1002=10W

较小的电阻值还会导致电阻两端的电压降较小。这就是为什么需要一个放大器来将分流电阻器两端产生的小电压转换为适用于上游电路的足够大的电压。

我们将讨论，在高侧电流检测中，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

将分流电阻器与负载串联放置有两种选择。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. (a)低侧电流检测和(b)高侧电流检测技术。

在低侧配置中，电流检测电阻器 (R shunt ) 放置在电源接地端子和负载接地端子之间。使用高端方法时，分流电阻器放置在电源的正极端子和负载的电源输入端之间。

让我们看看每种方法的优点和缺点是什么。

高侧与低侧检测：共模值

假设 R shunt = 1 mΩ 且 I = 100 A。即使使用如此大的电流，分流电阻器上的电压降也仅为 100 mV。因此，低侧分流电阻两端电压的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。

由于低侧电流检测中使用的放大器处理的是小共模电压，因此不需要高共模抑制比 (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表现出多少衰减。由于低侧电流检测配置的共模值几乎为零，因此放大器 CMRR 要求大大放宽，因此可以使用简单的放大器配置。

图 3 显示了可用于低侧电流检测的基本放大器。 

图 3

在这个例子中，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。这个放大器比较熟悉的原理图如下所示：

图 4

作为 V shunt放大版本的输出可以通过以下等式找到：

$$V_{oüt}=(1+\frac{R_2}{R_1})V_{in}=(1+\frac{R_2}{R_1})V_{\mathrm{短路}\_\_\_\_}$$

另一方面，用于高侧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，以防止大共模输入出现在输出端。这就是高端电流检测需要专门的放大器配置的原因。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，在高侧检测配置中，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极具挑战性。 

低端方法可能导致接地环路问题

尽管低侧检测方法简化了放大器设计，但它也有一些缺点。低侧电流测量在接地路径中放置了一个额外的电阻器。因此，被监控电路的地电位略高于系统地电位。对于某些模拟电路来说，这可能会成为一个问题。

由于受监控电路的接地与系统中的其他负载的电位不同，因此可能存在接地环路问题，导致可闻噪声，例如嗡嗡声，甚至干扰附近的设备。由于这一限制，低侧电流检测通常用于我们处理一个隔离负载或负载对地噪声不敏感的应用中。无人机、钻机和往复锯等应用中对成本敏感的电机控制通常采用低端传感，以便能够在消费市场领域竞争。 

低端方法无法检测故障检测

有多种故障情况是低侧电流检测无法检测到的。图 5 显示了一个示例，其中被监控电路的电源和系统接地之间发生了短路。 

图 5

故障电流 I short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，也需要两条线为受监控的电路供电。例如，在汽车应用中，汽车底盘用作公共接地。由于机箱处于系统地平面，我们只需要一根电线来为负载供电。但是，如果通过负载的电流通过低侧测量技术进行监控，则无法使用系统接地并且负载需要两根线。由于高端检测技术将系统接地用于受监控负载，因此不受此限制。这就是高侧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 迹线电阻的影响，并且可以通过差分放大器进行更准确的测量。 

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器两端的电压。然而，低侧电流检测易受接地干扰影响，无法检测故障情况。低侧电流检测通常用于需要能够在消费市场空间竞争的对成本敏感的电机控制应用。