許多應(yīng)用，例如電源管理、電池充電、電機(jī)控制和過流保護(hù)，都可以從電阻式電流檢測(cè)中獲益。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)。
    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)。
    電阻式電流檢測(cè)    在處理低到中等電流水平時(shí)，電阻式電流感測(cè)廣泛用于印刷電路板組件。使用這種技術(shù)，將已知電阻器 R shunt與負(fù)載串聯(lián)放置，并測(cè)量電阻器兩端產(chǎn)生的電壓以確定負(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)于電流非常大的應(yīng)用，分流電阻器的值甚至可能只有幾分之一毫歐，以降低電阻器消耗的功率。
    請(qǐng)注意，即使使用小電阻值，分流器功耗也可能是一個(gè)問題，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：
      較小的電阻值還會(huì)導(dǎo)致電阻兩端的電壓降較小。這就是為什么需要一個(gè)放大器來將分流電阻器兩端產(chǎn)生的小電壓轉(zhuǎn)換為適用于上游電路的足夠大的電壓。
    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)格方面可能有嚴(yán)格的要求。
    低側(cè)和高側(cè)檢測(cè)    將分流電阻器與負(fù)載串聯(lián)放置有兩種選擇。這兩種布置稱為低側(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 ) 放置在電源接地端子和負(fù)載接地端子之間。使用高端方法時(shí)，分流電阻器放置在電源的正極端子和負(fù)載的電源輸入端之間。
    讓我們看看每種方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)是什么。
    高側(cè)與低側(cè)檢測(cè)：共模值
    假設(shè) R shunt = 1 mΩ 且 I = 100 A。即使使用如此大的電流，分流電阻器上的電壓降也僅為 100 mV。因此，低側(cè)分流電阻兩端電壓的共模值僅略高于地電位。而且，對(duì)于高端配置，分流電阻兩端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的是小共模電壓，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)輸入端共有的信號(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 要求大大放寬，因此可以使用簡(jiǎn)單的放大器配置。

    圖 3 顯示了可用于低側(cè)電流檢測(cè)的基本放大器。
    圖 3
    在這個(gè)例子中，放大器由一個(gè)運(yùn)算放大器和兩個(gè)增益設(shè)置電阻 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
    另一方面，用于高側(cè)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。這就是高端電流檢測(cè)需要專門的放大器配置的原因。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，在高端檢測(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)極具挑戰(zhàn)性。
    低端方法可能導(dǎo)致接地環(huán)路問題
    雖然低側(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)控電路的地電位略高于系統(tǒng)地電位。對(duì)于某些模擬電路來說，這可能會(huì)成為一個(gè)問題。
    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)路問題，導(dǎo)致可聞噪聲，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)通常用于我們處理一個(gè)隔離負(fù)載或負(fù)載對(duì)地噪聲不敏感的應(yīng)用中。無人機(jī)、鉆機(jī)和往復(fù)式鋸等應(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)空間中競(jìng)爭(zhēng)。
    低端方法無法檢測(cè)故障檢測(cè)    有多種故障情況是低側(cè)電流檢測(cè)無法檢測(cè)到的。圖 5 顯示了一個(gè)示例，其中被監(jiān)控電路的電源和系統(tǒng)接地之間發(fā)生了短路。

    圖 5    故障電流 I short從總線電壓直接流向系統(tǒng)地，不經(jīng)過分流電阻。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，高側(cè)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，故障電流會(huì)流過分流電阻。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。
    高側(cè)電流檢測(cè)可以簡(jiǎn)化布線
    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，也需要兩條線為受監(jiān)控的電路供電。例如，在汽車應(yīng)用中，汽車底盤用作公共接地。由于機(jī)箱處于系統(tǒng)地平面，我們只需要一根電線來為負(fù)載供電。但是，如果通過負(fù)載的電流通過低側(cè)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，則無法使用系統(tǒng)地，負(fù)載需要兩根線。由于高端檢測(cè)技術(shù)將系統(tǒng)接地用于受監(jiān)控負(fù)載，因此不受此限制。這就是高端傳感更適合汽車應(yīng)用的原因。
    在下一篇文章中，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 跡線電阻的影響，并且可以通過差分放大器進(jìn)行更準(zhǔn)確的測(cè)量。
    結(jié)論
    低側(cè)檢測(cè)的主要優(yōu)點(diǎn)是可以使用相對(duì)簡(jiǎn)單的配置來放大分流電阻器兩端的電壓。然而，低側(cè)電流檢測(cè)易受接地干擾影響，無法檢測(cè)故障情況。低側(cè)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)的對(duì)成本敏感的電機(jī)控制應(yīng)用。