高低边电流检测技术分析

目前，电子系统的电源管理芯片通过有效的功率分配优化系统效率。这种管理方式的关键是电流检测，它不仅能帮助系统维持所需要的功率电平，还可通过伺服调整来维护电子系统的正常运行，防止电路失效和电池过放电。

　　电流检测有两个基本方法，可以测量载流导体的磁场，也可以在电流回路插入一个小电阻并测量其两端压降。第一种方法没有强行插入元件或引入插入损耗，但价格相对昂贵，而且容易导致非线性和温度系数误差。因此，磁场检测虽然避免了插入损耗，但由于其高成本，在具体应用中受到很大限制。

　　本文主要讨论半导体行业中已经得到应用的电阻检测技术，它能为各种应用提供精确且高性价比的直流电流测量结果。本文还介绍了高边和低边检测原理，并通过实际例子帮助设计师选择适合自己应用的最佳方法。

　　电阻测量

　　在电流回路插入一个小阻值的检测电阻可以产生一个相应的压降，经过放大后形成与电流成比例的输出信号。根据应用环境和检测电阻的放置位置不同，该检测技术为检测放大器设计带来了各种挑战。

　　图1（a）高边电流检测

　　图1（b） 低边电流检测简化框图

　　如果检测电阻放置在负载和电路地之间，其所产生的压降可以通过简单的运放进行放大（见图1（b）），这种方法称为低边电流检测。它不同于电源、负载之间放置检测电阻的高边检流（见图1（a））。

　　检流电阻的阻值越小功耗越低，但要保证产生检测放大器可以检测的电压，提供足够高的精度。注意，检流电阻两端的差分信号叠加在一个共模电压上，对于低边检测来说接近于地电位（0V），而对高边检测则接近于电源电压。因此，对于低边检流，测量放大器的共模输入范围必须包括地电位；对于高边检流，放大器的共模范围必须包括电源电压。

　　图2 充电器采用了低边电流检测

　　因为低边检流的共模电压接近地电位，检流电压可以利用一个低成本、低电压运放进行放大。低边电流检测方案简单而且便宜，但很多应用无法接受检流电阻引入的地线干扰。负载电流较大时更会加剧这个问题，因为系统中一部分电路的地电位由于低边检流电阻而产生偏移，而这部分电路可能与另一部分地电位没有改变的电路相互联系。

　　为了更好地理解这一问题，设想采用低边电流检测的“智能电池”充电器（见图2），AC/DC转换器输出连接到2线智能电池。这种电池通常通过一条线传输电池的具体信息，表示电池的“健康”状况，而利用另一条连线测量温度。检测电池温度时，通常在电池包内采用一个负温度系数的热敏电阻，提供一个以电池负极为参考的比例输出信号。

　　如图2所示，插入的检流电阻进行低边检测。由电池电流产生的检测电压经过放大并反馈到控制器，提供必要的功率调节。由于检测电压随电池电流变化，因此改变了电池负极的电压，造成温度输出的不准确。

　　低边检测的另一个主要缺点是：无法检测电池与地意外短路时的短路电流。图2中，电源正极与地短路时将造成极大的电流，足以损坏MOSFET开关（S1）。尽管存在这些缺陷，由于电路简单、成本较低，对于那些不需要短路保护的应用，并且可以忍受地线干扰时，低边检测不失为一个极具吸引力的方案。

为什么选择高边检测

　　高边电流检测（见图1（b））将检测电阻放置在高侧 —— 电源与负载之间，不仅消除了低边检测中出现的地线干扰，而且能够检测电池与系统地的短路故障。

　　然而，高边检测要求检流放大器能够处理接近电源电压的共模电压，这个共模电压根据具体应用而变化：监测处理器核电压时大约为1V，在工业、汽车和电信应用中可能达到数百伏。例如，笔记本电脑的典型电池电压为17～20V，汽车应用中电池电压为12V、24V或48V，电信应用中电压通常为48V。此外，高边电流检测还可能用在更高电压应用中，如高压电机控制、雪崩光电二极管（APD）、PIN二极管以及高压背光LED。因此，高边检流放大器需要解决的一个关键问题是处理高共模电压的能力。