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电子电路设计中,直流电流采样是一项关键技术,它对于监测电路的运行状态、实现控制以及保障系统安全都起着至关重要的作用。本文将对四种常见的直流电流采样电路进行详细对比,分析它们各自的优缺点及适用场景。

低边电流采样是一种较为基础的采样方式。在这种电路中,精密电阻连接在负载与地之间。当电流流经精密电阻时,根据欧姆定律,电阻两端会产生电压差,通过测量这个电压差并除以电阻值,就可以得到电路中的电流值。


例如,若分流电阻为 25mΩ,负载电流为 1A,那么在电阻两端就会产生 25mV 的电压差。经过放大和后续处理,如放大倍数为 21 时,输出电压 Uout 为 525mV(即 0.525V),再通过电压跟随器和 MCU 的 ADC 引脚来检测电流大小。然而,实际测量值与理论值之间往往存在一定误差,这主要是由于元件误差和 ADC 基准误差等因素引入的。为了提高测量精度,在实际应用中需要选择更高精度的元件和电压基准源。
优点:
- 成本低:所需的元件较为常见且价格便宜,电路结构简单,易于实现。
- 适合小电流或对成本敏感的消费电子场景:如电池充电器、LED 驱动等设备,这些设备对成本较为敏感,低边电流采样能够以较低的成本满足基本的电流检测需求。
缺点: - 低频干扰:在大电流情况下,容易引入噪声,影响测量的准确性。
- 安全性问题:无法检测负载对地短路故障,例如当负载发生接地短路时,该采样电路可能无法及时发现,从而对电路造成损坏。
- 精度限制:ADC 基准误差和元件精度会影响测量结果,使得测量精度受到一定的限制。
应用场景:适用于低成本设备,如上述提到的电池充电器、LED 驱动等。
高边电流采样中,分流电阻位于电源正极与负载之间,电流从电源正极经过分流电阻再流向负载。以使用电流检测放大器 AD8418 为例,它是一款高压高分辨率电流检测放大器,初始增益可确定为 20V/V,并且在整个温度范围内的增益误差仅为 ±0.15%。

对于高边电流检测,需要考虑共模电压范围,而 AD8418 具有优异的输入共模抑制性能,能够在采样电阻上进行双向或单向的电流检测。假设分流电阻上的电压差为 25mV,经过计算可得输出电压 Uout 为 500mV(即 0.5V)。
优点:
- 安全性高:能够检测负载对地短路故障,当发生接地短路等情况时,电路可以及时做出反应,保障系统的安全运行。
- 抗干扰:共模抑制比高,适合在复杂电磁环境中使用,能够有效减少外界干扰对测量结果的影响。
缺点: - 成本较高:需要使用高压运放和精密元件,这些元件的价格相对较高,导致整个采样电路的成本增加。
- 电路复杂:需要处理高共模电压,如电源电压,这增加了电路设计和调试的难度。
应用场景:适用于高可靠性场景,如工业控制、电动汽车 BMS、电源管理等领域,这些场景对安全性和抗干扰能力要求较高。
集成数字功率计是一种高精度的集成芯片,内部包含分流电阻、ADC 和计算单元。通过 SPI 接口,只需设置好采样电阻、母线电压和功率等参数,就可以直接输出电流、电压和功率数据,无需外部
运算放大器。
优点:
- 简化设计:减少了外围元件的使用,无需独立的运放,降低了电路设计的复杂度。
- 高精度:典型误差为 ±1%,并且支持校准,能够提供较为的测量结果。
- 数字化输出:通过 SPI 接口可以直接与 MCU 通信,降低了开发难度,方便实现数字化监控。
缺点: - 接口依赖:需要 MCU 支持 SPI 协议,如果 MCU 不具备该功能,则无法使用这种采样方式。
- 成本略高:相比分立方案,集成数字功率计的价格更高。
应用场景:适用于需要数字化监控的系统,如智能电表、服务器电源、物联网设备等,这些系统需要的电流、电压和功率数据,并且对数字化通信有较高的要求。

霍尔电流传感器基于霍尔效应来测量磁场,进而间接推导电流值。以 Allegro ACS758L 为例,它具有双向直流交流电流检测设计,内阻为 0.1mΩ,精度可达 ±1%。其输出特性为:当电流为 0 时,输出为电源电压的一半,若电源电压为 3.3V,则在零电流时理论输出为 1.65V;当电流正向流动时,输出靠近 VCC;当电流反向流动时,输出靠近 0V。
优点:
- 适用于高电压或高隔离需求的场景:能够实现电气隔离,避免高压对测量电路的影响,保障测量的安全性和准确性。
缺点:相对其他采样方式,可能在成本和精度上有一定的局限性,具体取决于不同的应用需求。
应用场景:常用于光伏逆变器、电机驱动、电动汽车等领域,这些领域存在高电压和大电流,需要高隔离性能的电流采样方案。