高側(cè)和低側(cè)電阻電流感應(yīng)有什么區(qū)別？本文解釋了基礎(chǔ)知識(shí)，以及何時(shí)每個(gè)都是更合適的設(shè)計(jì)選擇。

許多應(yīng)用，例如電源管理、電池充電、電機(jī)控制和過(guò)流保護(hù)，都可以從電阻電流感應(yīng)中受益。將電流檢測(cè)電阻與負(fù)載串聯(lián)有兩種選擇：低側(cè)和高側(cè)電流檢測(cè)。

在本文中，我們將研究這兩種安排并討論它們的基本優(yōu)缺點(diǎn)。

電阻式電流感應(yīng)

在處理低到中等電流水平時(shí)，電阻電流檢測(cè)廣泛用于印刷電路板組件。使用這種技術(shù)，將一個(gè)已知的電阻器R分流器與負(fù)載串聯(lián)，并測(cè)量電阻器兩端產(chǎn)生的電壓以確定負(fù)載電流。這如圖 1 所示。

圖1

電流檢測(cè)電阻器，也稱為分流電阻器或簡(jiǎn)稱分流器，通常具有毫歐范圍內(nèi)的值。對(duì)于電流非常大的應(yīng)用，分流電阻的值甚至可能只有幾分之一毫歐，以減少電阻消耗的功率。

請(qǐng)注意，即使電阻值很小，分流功率耗散也可能是一個(gè)問(wèn)題，尤其是對(duì)于大電流應(yīng)用。例如，當(dāng) R=1 mΩ 和 I= 100 A 時(shí)，分流電阻器消耗的功率為

小電阻值也會(huì)導(dǎo)致電阻兩端的小電壓降。這就是為什么需要一個(gè)放大器將分流電阻上產(chǎn)生的小電壓轉(zhuǎn)換為適合上游電路的足夠大電壓的原因。

我們將討論，在高端電流檢測(cè)中，放大器可能對(duì)共模抑制比 （CMRR） 規(guī)范有嚴(yán)格的要求。

低側(cè)和高側(cè)感應(yīng)

將分流電阻器與負(fù)載串聯(lián)有兩種選擇。這兩種布置被稱為低側(cè)和高側(cè)電流檢測(cè)方法，如圖 2 所示。

圖 2. （a）低側(cè)電流感應(yīng)和（b）高側(cè)電流感應(yīng)技術(shù)。

在低端配置中，電流檢測(cè)電阻器 （R shunt ） 放置在電源的接地端子和負(fù)載的接地端子之間。使用高端方法，分流電阻器放置在電源的正極端子和負(fù)載的電源輸入之間。

讓我們看看每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)是什么。

高端與低端感應(yīng)：共模值

假設(shè) R shunt =1 mΩ 和 I= 100 A。即使有這么大的電流，分流電阻上的電壓降也只有 100 mV。因此，低端分流電阻兩端的電壓共模值僅略高于地電位。而且，對(duì)于高端配置，分流電阻器兩端電壓的共模電平非常接近負(fù)載電源電壓。

由于低端電流檢測(cè)中使用的放大器處理較小的共模電壓，因此它不需要高共模抑制比 （CMRR）。(關(guān)注：電路一點(diǎn)通）共模抑制比指定放大器對(duì)放大器兩個(gè)輸入共有的信號(hào)表現(xiàn)出多少衰減。由于低側(cè)電流檢測(cè)配置的共模值幾乎為零，放大器 CMRR 要求顯著放寬，因此可以使用簡(jiǎn)單的放大器配置。

圖 3 顯示了一個(gè)可用于低側(cè)電流檢測(cè)的基本放大器。

圖 3

在本例中，放大器由一個(gè)運(yùn)算放大器和兩個(gè)增益設(shè)置電阻器 R1 和 R2 組成。請(qǐng)注意，這實(shí)際上是運(yùn)算放大器的非反相配置。該放大器更熟悉的原理圖如下所示：

圖 4

另一方面，用于高端電流檢測(cè)的放大器需要處理較大的共模電壓。放大器應(yīng)具有高 CMRR，以防止大共模輸入出現(xiàn)在輸出端。這就是為什么高端電流檢測(cè)需要專門的放大器配置。這些放大器應(yīng)具有高 CMRR 并支持高達(dá)負(fù)載電源電壓的輸入共模范圍。

值得一提的是，有許多高端電流檢測(cè)應(yīng)用，例如三相電機(jī)控制應(yīng)用，其中負(fù)載電源電壓遠(yuǎn)大于放大器使用的電源電壓。因此，在高端感應(yīng)配置中，放大器的輸入共模通常需要遠(yuǎn)大于其電源電壓——這一要求使放大器設(shè)計(jì)非常具有挑戰(zhàn)性。

低端方法可能導(dǎo)致接地環(huán)路問(wèn)題

盡管低端檢測(cè)方法簡(jiǎn)化了放大器設(shè)計(jì)，但它也有一些缺點(diǎn)。低端電流測(cè)量在接地路徑中放置了一個(gè)額外的電阻器。因此，被監(jiān)測(cè)電路的地電位略高于系統(tǒng)地電位。這可能成為一些模擬電路的問(wèn)題。

由于受監(jiān)控電路的接地與系統(tǒng)中的其他負(fù)載的電位不同，因此可能存在接地回路問(wèn)題，從而導(dǎo)致可聽(tīng)見(jiàn)的噪音，例如嗡嗡聲，甚至干擾附近的設(shè)備。由于這一限制，低端電流檢測(cè)通常用于我們處理一個(gè)隔離負(fù)載或負(fù)載對(duì)接地噪聲不敏感的應(yīng)用中。無(wú)人機(jī)、鉆機(jī)和往復(fù)鋸等應(yīng)用中的成本敏感型電機(jī)控制通常采用低側(cè)傳感，以便能夠在消費(fèi)市場(chǎng)空間中競(jìng)爭(zhēng)。

低端方法無(wú)法檢測(cè)故障檢測(cè)

有多種低側(cè)電流檢測(cè)無(wú)法檢測(cè)到的故障情況。圖 5 顯示了一個(gè)示例，其中監(jiān)控電路的電源和系統(tǒng)接地之間發(fā)生短路。

圖 5

故障電流 I short從母線電壓直接流向系統(tǒng)接地，不通過(guò)分流電阻。因此，電流監(jiān)控電路不會(huì)檢測(cè)到這種故障情況。低端電流檢測(cè)也無(wú)法檢測(cè)到被監(jiān)控電路接地和系統(tǒng)接地之間的短路（圖 6）。

圖 6

但是，高端電流檢測(cè)可以檢測(cè)分流電阻下游發(fā)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(guò)分流電阻。因此，電流測(cè)量電路可以檢測(cè)到短路情況并觸發(fā)適當(dāng)?shù)募m正措施。

高側(cè)電流感應(yīng)可以簡(jiǎn)化接線

低端電流檢測(cè)的另一個(gè)缺點(diǎn)是，即使系統(tǒng)接地可用，也需要兩條線來(lái)為被監(jiān)控電路供電。例如(關(guān)注：電路一點(diǎn)通），在汽車應(yīng)用中，汽車底盤用作公共接地。由于機(jī)箱位于系統(tǒng)地平面，我們只需要一根電線即可為負(fù)載供電。但是，如果通過(guò)低端測(cè)量技術(shù)監(jiān)測(cè)通過(guò)負(fù)載的電流，則不能使用系統(tǒng)接地，并且負(fù)載需要兩條線。由于高端傳感技術(shù)使用系統(tǒng)接地來(lái)監(jiān)控負(fù)載，因此不受此限制。這就是為什么高端傳感更適合汽車應(yīng)用的原因。

結(jié)論

低端檢測(cè)的主要優(yōu)點(diǎn)是可以使用相對(duì)簡(jiǎn)單的配置來(lái)放大分流電阻器兩端的電壓。然而，低端電流檢測(cè)容易受到接地干擾，無(wú)法檢測(cè)故障情況。低端電流檢測(cè)通常用于需要能夠在消費(fèi)市場(chǎng)空間競(jìng)爭(zhēng)的成本敏感型電機(jī)控制應(yīng)用。

審核編輯：湯梓紅