电阻电流检测：低侧与高侧检测

高边和低边电阻电流感应有什么区别？本文介绍了基础知识，以及每种方法何时是更合适的设计选择。

许多应用，例如电源管理、电池充电、电机控制和过流保护，都可以从电阻电流检测中受益。将电流检测电阻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缺点。

电阻电流检测

在处理低至中等电流水平时，电阻电流检测广泛用于印刷电路板组件。使用这种技术，将一个已知的电阻器 Rshunt 与负载串联，并测量电阻器上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。对于非常大的电流应用，分流电阻的值甚至可能是几分之一毫欧，以减少电阻消耗的功率。

请注意，即使电阻值很小，分流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：

\[P =R \times I^2 =0.001 \times 100^2 =10 W\]

一个小的电阻值也会导致电阻两端的电压降很小。这就是为什么需要放大器将分流电阻上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，在高侧电流检测中，放大器在共模抑制比 (CMRR) 规范方面可能有严格的要求。

低边和高边感应

将分流电阻器与负载串联放置有两种选择。这两种安排被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) 高端电流检测技术。

在低端配置中，电流检测电阻器 (Rshunt) 放置在电源的接地端子和负载的接地端子之间。高边方法是在电源正极和负载的电源输入端之间放置分流电阻。

让我们看看每种方法的优缺点是什么。

高端与低端感应：共模值

假设 Rshunt=1 mΩ 且 I=100 A。即使有这么大的电流，分流电阻上的压降也仅为 100 mV。因此，低侧分流电阻器两端电压的共模值仅略高于地电位。并且，对于高边配置，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小的共模电压，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共有的信号表现出的衰减程度。由于低侧电流检测配置的共模值几乎为零，因此放大器 CMRR 要求显着放宽，因此可以使用简单的放大器配置。

图 3 显示了一个可用于低侧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器 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

输出是 Vshunt 的放大版本，可以通过以下等式找到：

\[V_{out} =\left(1 + \frac{R_2}{R_1}\right) V_{in} =\left(1 + \frac{R_2} {R_1}\right) V_{分流}\]

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，以防止大的共模输入出现在输出端。这就是为什么需要专门的放大器配置来检测高端电流的原因。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，有许多高侧电流检测应用，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，在高侧感测配置中，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。

低边方法会导致接地环路问题

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，被监控电路的接地电位略高于系统接地电位。这可能会成为一些模拟电路的问题。

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，导致可听见的噪声，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、钻机和往复锯等应用中对成本敏感的电机控制通常采用低侧传感，以便能够在消费市场领域竞争。

低端方法无法检测故障

存在低侧电流检测无法检测到的各种故障情况。图 5 显示了一个示例，其中受监控电路的电源与系统接地之间发生短路。

图 5

故障电流 Ishort 从总线电压直接流向系统接地，不通过分流电阻器。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，高端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，故障电流通过分流电阻。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。

高端电流检测可简化接线

低侧电流检测的另一个缺点是，即使系统接地可用，也需要两根电线为受监控电路供电。例如，在汽车应用中，汽车底盘用作公共接地。由于机箱位于系统地平面，我们只需要一根电线来为负载供电。但是，如果通过低侧测量技术监测通过负载的电流，则不能使用系统接地，并且负载需要两根导线。由于高端传感技术使用系统接地作为受监控负载，因此不受此限制。这就是为什么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，低侧电流检测容易受到接地干扰并且无法检测故障情况。低侧电流感应通常用于需要能够在消费市场领域竞争的成本敏感型电机控制应用。

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