那个简单的电流检测电阻一点也不简单

测量电流以确定电池状态或负载（如电机、灯或子系统）消耗的功率是常见的电路要求。虽然有多种方法可以做到这一点，例如使用霍尔效应传感器或感应电流探头，但目前最流行的方法是使用与负载串联的已知值电阻器，并测量其两端的电压（图1）。然后，快速应用欧姆定律 （I = V/R） 可以计算电流以及功率（如果需要）（请注意，此电阻器通常称为分流电阻器，尽管它不会“分流”电流）。

图 1.通过电阻器检测电流只是欧姆定律的基本应用，V = IR – 乍一看

虽然这个概念简单有效，但实际实施提出了三个问题，没有单一的“正确”答案。相反，它们是平衡各种权衡与优先级和实用性的设计困境的又一个案例。让我们简单地看一下这三个问题：

1）在哪里放置这个电阻？

明显的位置位于负载和电路公共端之间（通常称为“接地”，但由于各种原因，这通常是用词不当；图 2）。这种低端感应是电气上最简单的方法，因为测量其电压的电阻两端的模拟电路也可以连接到公共端（地）。

图 2. 在低端检测中，检测电阻器放置在负载和接地之间（公共端），这简化了相关电路，但带来了负载和系统问题（图片来源：Stack Exchange Inc）。

然而，这种布置具有固有的问题。首先，负载现在不再接地，这会导致各种性能和环路稳定性问题。即使这些缺点是可以接受的，但在许多实际情况下，负载实际上是接地的（想想汽车中的起动电机，它用螺栓固定在车架上）。另一种方法是高侧感应，其中电阻器位于电源轨和负载之间（图 3）。

图 3.高侧感应最大限度地减少了负载和系统问题，但在测量电阻器两端的电压时带来了与共模电压和系统完整性相关的新问题

这消除了不接地负载的问题，但意味着传感电路现在浮在地面之上，标准运算放大器不能容忍这种拓扑结构。这就引出了第二个问题。

2） 什么可以用来检测电阻两端的电压？

由于检测电阻器不再接地（公共端），因此其放大器必须检测其输入端的电压，且两个输入端均不处于接地参考。这需要一个特殊的放大器，称为差分放大器（一种标准的、广泛使用的设备，它是一种旨在测量电位差（电压的正式和指示性名称）的放大器，无论该电位差相对于地的位置 - 高达一定的电压电平，称为共模电压（SMV））。

每个差分放大器在测量差分电压时都有一个它可以承受的最大共模电压；典型值为 50 V。如果负载两端的电压降（被视为电阻两端的公共电压）大于最大额定值，则差分放大器将饱和并无法进行电压测量，甚至可能被损坏。

如果共模电压对于差分放大器来说太大，则需要更先进的方法。一种方法是使用一个浮动的隔离放大器，它与系统接地没有电流连接（图 4）。可以使用可以承受数百甚至数千伏电压的隔离放大器，但它们比基本差分放大器更昂贵。

图 4.隔离放大器消除了高侧感应问题，甚至可能要求安全，但会增加组件成本

然而，与差分放大器相比，它们确实提供了一个主要优势。如果差分放大器发生故障并在内部短路，则完整的电源轨电压将出现在其输出端。这可能会烧毁连接的电路，甚至可能对用户造成危险（请注意，安全限制往往在 60 V 左右生效，具体取决于要满足的应用、国家和标准）。相比之下，隔离放大器不仅可以承受数千共模电压，而且其设计本身可以防止输入到输出短路，从而保护系统和用户。

3） 使用什么值的电流检测电阻？

在这里，我们遇到了一个很容易陈述的工程难题，并且需要判断最可接受的答案。电阻两端的电压是感兴趣的参数，通常在存在来自系统时钟、电机、各种负载甚至附近系统的噪声的情况下进行测量。因此，为了最大限度地提高电压读数的分辨率、精度和 SNR，最好使用较大值的电阻器。

但是，另一方面，较高值的电阻器在给定电流下有两个负值：首先，它从轨电压中减去，因此可以传递给负载的功率。其次，它还消耗更多的功率（I 2 R 损耗），这表示浪费的功率并引起自热。即使可以容忍损耗和低效率，自发热也会由于其电阻温度系数 （TCR） 而改变电阻值本身。此 TCR 问题在高于几安培的较高电流水平下更为严重。一个基本的低成本电阻器具有相当高的 TCR，因此读数精度会受到电流本身的影响。另一种方法是使用独特的配方指定为此目的制造的特殊的低 TCR 电阻器。

在评估大多数设计中的这些权衡后，可接受的 SNR 与过度耗散和 TCR 引起的误差之间的最佳平衡点是允许检测电阻器上的最大压降约为 100 mΩ，而不管轨电压或电流消耗如何（也有例外， 当然）。因此，向其负载提供高达 1 A 电流的导轨将使用 0.1 Ω （100 mΩ）。

电流检测电阻器的供应商确实使它们具有如此低甚至更低的值，例如 TT Electronics 的 EBW 系列（图 5），提供 25 至 500 μΩ、3W 耗散、200 A 容量和低于 200 ppm 的 TCR /°C。即使是这些极低值的电阻器，通常也不能在不考虑其安装和连接的情况下直接放入电路中，因为它们与连接线之间的典型接触电阻为几 mΩ，可能会过大。因此，传感器放大器引线连接至关重要，可能需要开尔文连接。

这个简短的讨论再次证明，仅仅因为某件事背后有一个简单的概念并不意味着它很容易执行。这就是工程挑战的本质。

审核编辑：郭婷