低侧与高侧电阻式电流检测：实用设计选择
高侧与低侧电阻式电流检测有何区别？本文解释基础及各自适用场景。
电源管理、电池充电、电机控制、过流保护等应用均可受益于电阻式电流检测。在负载串联放置检流电阻有两种选择：低侧与高侧电流检测。
本文将剖析这两种布局及其基本优劣势。
电阻式电流检测
印制电路板组装处理低至中等电流时，电阻式电流检测广泛应用。该技术将已知分流电阻Rshunt串联负载，测量电阻两端电压以确定负载电流。如图1所示。
图1
检流电阻（分流电阻）阻值通常在毫欧级。极大电流应用中，分流电阻值可达毫欧分数，以降低电阻功耗。
注意即使阻值很小，分流电阻功耗在大电流应用中仍可能成问题。例：R=1 mΩ，I=100 A时，分流电阻功耗：
\[P = R \times I^2 = 0.001 \times 100^2 = 10 W\]
小阻值导致电压降极小，因此需要放大器将分流电阻上微小电压放大为适合后级电路的电压。
我们将讨论高侧检测中放大器对共模抑制比（CMRR）有严苛要求。
低侧与高侧检测
分流电阻串联负载有两种布局，称为低侧与高侧电流检测，如图2所示。
图2. (a) 低侧电流检测与 (b) 高侧电流检测技术。
低侧配置中，检流电阻（Rshunt)置于电源接地端与负载接地端之间。高侧法则将分流电阻置于电源正极与负载供电输入之间。
让我们看看各方法优劣势。
高侧与低侧检测：共模值差异
假设Rshunt=1 mΩ，I=100 A。即使如此大电流，分流电阻压降仅100 mV。因此低侧分流电阻两端共模电压仅略高于地电位。高侧配置下，分流电阻两端共模电平极接近负载供电电压。
低侧检测放大器处理微小共模电压，无需高CMRR。共模抑制比指定放大器对两输入共同信号的衰减程度。因低侧共模值近零，放大器CMRR要求大幅放宽，简易放大器配置即可胜任。
图3展示适用低侧检测的基础放大器。
图3
此例中放大器由运放与两个增益设定电阻R1、R2组成。实为运放同相放大配置。更熟悉的原理图如下：
图4
输出为Vshunt放大版本，公式：
\[V_{out} = \left(1 + \frac{R_2}{R_1}\right) V_{in} = \left(1 + \frac{R_2}{R_1}\right) V_{shunt}\]
反之，高侧检测放大器需处理大共模电压，须高CMRR防止大共模输入出现在输出。因此高侧检测需专用放大器配置，要求高CMRR且支持高达负载供电电压的输入共模范围。
值得一提，许多高侧检测应用（如三相电机控制）中负载供电电压远高于放大器供电电压。故高侧配置下放大器输入共模常需远超其供电电压——使放大器设计极具挑战。
低侧法可能导致地环路问题
低侧检测虽简化放大器设计，但有缺点。低侧电流测量在接地路径引入额外电阻，使被监测电路地电位略高于系统地。这对某些模拟电路可能成问题。
因被监测电路地电位与系统中其他负载不同，可能产生地环路问题，导致可听噪声（如嗡嗡声）或干扰附近设备。受此限制，低侧电流检测通常用于单一隔离负载或对地噪声不敏感的应用。无人机、电钻、往复锯等成本敏感电机控制典型采用低侧检测以在消费市场竞争。
低侧法无法检测故障
低侧电流检测无法检测多种故障。图5示例：被监测电路电源与系统地间发生短路。
图5
故障电流Ishort从母线电压直接流向系统地，不经分流电阻。故电流监测电路无法检测此故障。低侧检测也无法检测被监测电路地与系统地间短路（图6）。
图6
然而高侧电流检测可检测分流电阻下游故障。如图7所示。
图7
此时故障电流流经分流电阻，电流测量电路可检测短路并触发相应纠正动作。
高侧电流检测可简化布线
低侧检测另一缺点：即使系统地可用，给被监测电路供电仍需两根线。汽车应用中车身作共地，仅需单线供电负载。但若用低侧测量负载电流，系统地不可用，需两线。高侧检测利用系统地为负载供电，无此限制。故高侧检测更适合汽车应用。
下文将深入剖析图3原理图，揭示其对PCB走线电阻敏感，差分放大器可实现更精准测量。
结论
低侧检测主优势：可用相对简单配置放大分流电压。但易受地扰动影响且无法检测故障。低侧检测常用于成本敏感电机控制，以在消费市场竞争。
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