一文看懂電流檢測電路中的高測檢測和低側檢測

方法說明:

一般情況下,大部分應用, 是透過感測電阻兩端的壓降測量電流。

電流檢測電路的應用:

電路檢測電路常用於:高壓短路保護、電機控制、DC/DC換流器、系統功耗管理、二次電池的電流管理、蓄電池管理等電流檢測等場景。

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一般使用電流透過時的壓降為數十mV~數百mV的電阻值,電流檢測用低電阻器使用數Ω以下的較小電阻值;檢測數十A的大電流時需要數mΩ的極小電阻值,因此,以小電阻值見長的金屬板型和金屬箔型低電阻器比較常用,而小電流是透過數百mΩ~數Ω的較大電阻值進行檢測。

測量電流時, 通常會將電阻放在電路中的兩個位置。 第一個位置是放在電源與負載之間。 這種測量方法稱為高側感測。 通常放置感測電阻的第二個位置是放在負載和接地端之間。 這種電流感測方法稱為低側電流感測。

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兩種測量方法各有利弊,低邊電阻在接地通路中增加了不希望的額外阻抗;採用高邊電阻的電路必須承受相對較大的共模訊號。 低側電流測量的優點之一是共模電壓, 即測量輸入端的平均電壓接近於零。 這樣更便於設計應用電路, 也便於選擇適合這種測量的器件。低側電流感測電路測得的電壓接近於地, 在處理非常高的電壓時、 或者在電源電壓可能 易於出現尖峰或浪湧的應用中, 優先選擇這種方法測量電流。 由於低側電流感測能夠抗高壓尖峰干擾, 並能監測高壓系統中的電流。

低端檢測

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低側電流感測的主要缺點是採用電源接地端和負載、系統接地端時, 感測電阻兩端的壓降會有所不同。 如果其他電路以電源接地端為基準, 可能會出現問題。 為最大限度地避免此問題, 存在互動的所有電路均應以同一接地端為基準, 降低電流感測電阻值有助於儘量減小接地漂。

如上圖,如果圖中運放的 GND 引腳以 RSENSE 的正端為基準,那麼其共模輸入範圍必須覆蓋至零以下,也就是GND - (RSENSE × ILOAD)。Rsensor將地(GND)隔開了。

高測檢測

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隨著大量包含高精度放大器和精密匹配電阻的IC的推出,在高邊電流測量中使用差分放大器變得非常方便。高邊檢測帶動了電流檢測IC 的發展,降低了由分立器件帶來的引數變化、器件數目太多等問題,積體電路方便了我們使用。下圖為一種高邊檢測的 IC 方案:

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對於高側和低側的另外一種解釋:

到底是使用串聯電阻的高測還是低測來感測。沒有哪個方法一定超出另外一個,但是選擇其中的任意一個,都代表著在該應用場景下需要考慮一些權衡以及影響。

在採用低側檢測時(圖4a),該電阻連線在電機的“負載”以及系統共地(通常被稱為“地”,即使它並非連線到真正的“地”)之間。因此,感測電阻兩端電壓的電路也可以接地。這簡化了感測電路的設計和實現,也簡化了與下一階段反饋子系統的介面的設計。

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低側感測將電阻放置在負載和地之間

然而,低側感測方法也意味著負載本身不再接地。這嚴重的影響了負載的物理連線和使用者的安全性。由於負載的低側在地之上,它任何一部分都不再連線到地,如汽車底盤或接地外殼;相反地,它必須與地進行電氣隔離。此外,由於負載的低側不再處於地電平,驅動負載以及負載兩端電壓測試的電路(這與感測電阻兩端讀數不同)必須差分化或透過一個接地隔離電路。

另一種檢測方法是高側檢測,其中感測電阻處於電源軌和負載之間,而負載本身保持接地(圖4b)。從負載安裝和總體安全性角度來看,這一做法要好得多,但它也意味著,該檢測電阻電路不能直接與地相連。相反,它必須使用基於儀表放大器的差分放大器,或甚至使用電隔離部件進行隔離。與可以連線到地的電路相比,這種做法較為複雜並且成本也更高。此外,感測電路必須設成與該系統共模電壓模式下工作,並具備較高的CMRR(共模抑制比)以感測和提取幾十甚至上百伏電壓中的相當微小的變化(毫伏範圍)。

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高側感測方法將電阻放置在電源軌與負載之間。低側和高側感測方法同時提供明確定義的電氣、安全性和安裝屬性。

儘管具體到每個應用會有不同選擇,但多數設計師選擇高側做法。這是因為它解決或避免了非接地負載不可避免的一些挑戰性的電氣、安全性和安裝問題。此外,使用小電壓的高側電流感測電路(使用差分放大器和隔離部件)成本適度,面積也較小。

不管使用高側還是低側感測方法,電阻決定必須在許多因素間做出權衡:正確的歐姆值(第一要素)、足夠的額定功率,以及匹配應用的物理封裝。