高、低侧电阻电流感应的优缺点区别

高侧和低侧电阻电流感应有什么区别？本文解释了基础知识，以及何时每个都是更合适的设计选择。

许多应用，例如电源管理、电池充电、电机控制和过流保护，都可以从电阻电流感应中受益。将电流检测电阻与负载串联有两种选择：低侧和高侧电流检测。

在本文中，我们将研究这两种安排并讨论它们的基本优缺点。

电阻式电流感应

在处理低到中等电流水平时，电阻电流检测广泛用于印刷电路板组件。使用这种技术，将一个已知的电阻器R分流器与负载串联，并测量电阻器两端产生的电压以确定负载电流。这如图 1 所示。

图1

电流检测电阻器，也称为分流电阻器或简称分流器，通常具有毫欧范围内的值。对于电流非常大的应用，分流电阻的值甚至可能只有几分之一毫欧，以减少电阻消耗的功率。

请注意，即使电阻值很小，分流功率耗散也可能是一个问题，尤其是对于大电流应用。例如，当 R=1 mΩ 和 I= 100 A 时，分流电阻器消耗的功率为

小电阻值也会导致电阻两端的小电压降。这就是为什么需要一个放大器将分流电阻上产生的小电压转换为适合上游电路的足够大电压的原因。

我们将讨论，在高端电流检测中，放大器可能对共模抑制比 （CMRR） 规范有严格的要求。

低侧和高侧感应

将分流电阻器与负载串联有两种选择。这两种布置被称为低侧和高侧电流检测方法，如图 2 所示。

图 2. （a）低侧电流感应和（b）高侧电流感应技术。

在低端配置中，电流检测电阻器 （R shunt ） 放置在电源的接地端子和负载的接地端子之间。使用高端方法，分流电阻器放置在电源的正极端子和负载的电源输入之间。

让我们看看每种方法的优缺点是什么。

高端与低端感应：共模值

假设 R shunt =1 mΩ 和 I= 100 A。即使有这么大的电流，分流电阻上的电压降也只有 100 mV。因此，低端分流电阻两端的电压共模值仅略高于地电位。而且，对于高端配置，分流电阻器两端电压的共模电平非常接近负载电源电压。

由于低端电流检测中使用的放大器处理较小的共模电压，因此它不需要高共模抑制比 （CMRR）。(关注：电路一点通）共模抑制比指定放大器对放大器两个输入共有的信号表现出多少衰减。由于低侧电流检测配置的共模值几乎为零，放大器 CMRR 要求显着放宽，因此可以使用简单的放大器配置。

图 3 显示了一个可用于低侧电流检测的基本放大器。

图 3

在本例中，放大器由一个运算放大器和两个增益设置电阻器 R1 和 R2 组成。请注意，这实际上是运算放大器的非反相配置。该放大器更熟悉的原理图如下所示：

图 4

另一方面，用于高端电流检测的放大器需要处理较大的共模电压。放大器应具有高 CMRR，以防止大共模输入出现在输出端。这就是为什么高端电流检测需要专门的放大器配置。这些放大器应具有高 CMRR 并支持高达负载电源电压的输入共模范围。

值得一提的是，有许多高端电流检测应用，例如三相电机控制应用，其中负载电源电压远大于放大器使用的电源电压。因此，在高端感应配置中，放大器的输入共模通常需要远大于其电源电压——这一要求使放大器设计非常具有挑战性。

低端方法可能导致接地环路问题

尽管低端检测方法简化了放大器设计，但它也有一些缺点。低端电流测量在接地路径中放置了一个额外的电阻器。因此，被监测电路的地电位略高于系统地电位。这可能成为一些模拟电路的问题。

由于受监控电路的接地与系统中的其他负载的电位不同，因此可能存在接地回路问题，从而导致可听见的噪音，例如嗡嗡声，甚至干扰附近的设备。由于这一限制，低端电流检测通常用于我们处理一个隔离负载或负载对接地噪声不敏感的应用中。无人机、钻机和往复锯等应用中的成本敏感型电机控制通常采用低侧传感，以便能够在消费市场空间中竞争。

低端方法无法检测故障检测

有多种低侧电流检测无法检测到的故障情况。图 5 显示了一个示例，其中监控电路的电源和系统接地之间发生短路。

图 5

故障电流 I short从母线电压直接流向系统接地，不通过分流电阻。因此，电流监控电路不会检测到这种故障情况。低端电流检测也无法检测到被监控电路接地和系统接地之间的短路（图 6）。

图 6

但是，高端电流检测可以检测分流电阻下游发生的故障情况。如图 7 所示。

图 7

在这种情况下，故障电流通过分流电阻。因此，电流测量电路可以检测到短路情况并触发适当的纠正措施。

高侧电流感应可以简化接线

低端电流检测的另一个缺点是，即使系统接地可用，也需要两条线来为被监控电路供电。例如(关注：电路一点通），在汽车应用中，汽车底盘用作公共接地。由于机箱位于系统地平面，我们只需要一根电线即可为负载供电。但是，如果通过低端测量技术监测通过负载的电流，则不能使用系统接地，并且负载需要两条线。由于高端传感技术使用系统接地来监控负载，因此不受此限制。这就是为什么高端传感更适合汽车应用的原因。

结论

低端检测的主要优点是可以使用相对简单的配置来放大分流电阻器两端的电压。然而，低端电流检测容易受到接地干扰，无法检测故障情况。低端电流检测通常用于需要能够在消费市场空间竞争的成本敏感型电机控制应用。

审核编辑：汤梓红