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電阻電流檢測(cè)：低側(cè)與高側(cè)檢測(cè)
電阻電流檢測(cè)：低側(cè)與高側(cè)檢測(cè)
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)，都可以從電阻電流檢測(cè)中受益。將電流檢測(cè)電阻器與負(fù)載串聯(lián)放置有兩種選擇：低側(cè)和高側(cè)電流檢測(cè)。
電阻電流檢測(cè)
在處理低至中等電流水平時(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 R分流器與負(fù)載串聯(lián)，并測(cè)量電阻兩端的電壓以確定負(fù)載電流。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)稱為分流器，通常具有毫歐范圍內(nèi)的值。對(duì)于非常大的電流應(yīng)用，分流電阻的值甚至可能是幾分之一毫歐，以減少電阻消耗的功率。
請(qǐng)注意，即使電阻值很小，分流功耗也可能是一個(gè)問(wèn)題，尤其是對(duì)于大電流應(yīng)用。例如，當(dāng) R=1 mΩ 且 I= 100 A 時(shí)，分流電阻器消耗的功率為：
\[P = R \times I^2 = 0.001 \times 100^2 = 10 W\]
一個(gè)小的電阻值也會(huì)導(dǎo)致電阻兩端的電壓降很小。這就是為什么需要放大器將分流電阻器上產(chǎn)生的小電壓轉(zhuǎn)換為適合上游電路的足夠大的電壓的原因。
我們將討論，在高側(cè)電流檢測(cè)中，放大器在共模抑制比 (CMRR) 規(guī)范方面可能有嚴(yán)格的要求。
低邊和高邊感應(yīng)
將分流電阻器與負(fù)載串聯(lián)放置有兩種選擇。這兩種安排被稱為低側(cè)和高側(cè)電流檢測(cè)方法，如圖 2 所示。
圖 2. (a)低側(cè)電流檢測(cè)和(b)高側(cè)電流檢測(cè)技術(shù)。
在低側(cè)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。對(duì)于高邊方法，分流電阻放置在電源的正極和負(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 且 I = 100 A。即使有這么大的電流，分流電阻上的壓降也僅為 100 mV。因此，低側(cè)分流電阻器兩端電壓的共模值僅略高于地電位。而且，對(duì)于高側(cè)配置，分流電阻器兩端的電壓的共模電平非常接近負(fù)載電源電壓。
由于低側(cè)電流檢測(cè)中使用的放大器處理小的共模電壓，因此不需要高共模抑制比 (CMRR)。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，因此放大器 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)算放大器的同相配置。這個(gè)放大器更熟悉的原理圖如下所示：
圖 4
輸出是 V分流器的放大版本，可以通過(guò)以下等式找到：
\[V_{out} = \left(1 + \frac{R_2}{R_1}\right) V_{in} = \left(1 + \frac{R_2}{R_1}\right) V_{shunt}\]
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，以防止大的共模輸入出現(xiàn)在輸出端。這就是為什么需要專門的放大器配置來(lái)檢測(cè)高端電流的原因。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，有許多高側(cè)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)大于用于放大器的電源電壓。因此，在高側(cè)感測(cè)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。
低邊方法會(huì)導(dǎo)致接地環(huán)路問(wèn)題
盡管低側(cè)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)。低側(cè)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)控電路的接地電位略高于系統(tǒng)接地電位。這可能成為某些模擬電路的問(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，因此可能存在接地環(huán)路問(wèn)題，導(dǎo)致可聽(tīng)見(jiàn)的噪聲，例如嗡嗡聲，甚至干擾附近的設(shè)備。由于這一限制，低側(cè)電流檢測(cè)通常用于處理一個(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)用中對(duì)成本敏感的電機(jī)控制通常采用低側(cè)傳感，以便能夠在消費(fèi)市場(chǎng)領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)。
低邊方法無(wú)法檢測(cè)故障檢測(cè)
存在低側(cè)電流檢測(cè)無(wú)法檢測(cè)到的各種故障情況。圖 5 顯示了一個(gè)示例，其中受監(jiān)控電路的電源與系統(tǒng)接地之間發(fā)生短路。
圖 5
故障電流 I short直接從總線電壓流向系統(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。低側(cè)電流檢測(cè)也無(wú)法檢測(cè)到受監(jiān)控電路的接地與系統(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)分流電阻器下游發(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)短路情況并觸發(fā)適當(dāng)?shù)募m正措施。
高端電流檢測(cè)可簡(jiǎn)化接線
低側(cè)電流檢測(cè)的另一個(gè)缺點(diǎn)是，即使系統(tǒng)接地可用，也需要兩根電線為受監(jiān)控電路供電。例如，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來(lái)為負(fù)載供電。但是，如果通過(guò)低側(cè)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)載需要兩根導(dǎo)線。由于高端傳感技術(shù)使用系統(tǒng)接地作為受監(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。
我們將更詳細(xì)地研究圖 3 中的原理圖。我們將看到這種結(jié)構(gòu)也容易受到 PCB 走線電阻的影響，并且可以通過(guò)差分放大器進(jìn)行更準(zhǔn)確的測(cè)量。