高側和低側電阻電流感應有什么區別？本文解釋了基礎知識，以及何時每個都是更合適的設計選擇。

許多應用，例如電源管理、電池充電、電機控制和過流保護，都可以從電阻電流感應中受益。將電流檢測電阻與負載串聯有兩種選擇：低側和高側電流檢測。

在本文中，我們將研究這兩種安排并討論它們的基本優缺點。

電阻式電流感應

在處理低到中等電流水平時，電阻電流檢測廣泛用于印刷電路板組件。使用這種技術，將一個已知的電阻器 R分流器與負載串聯，并測量電阻器兩端產生的電壓以確定負載電流。這如圖 1 所示。

圖1

電流檢測電阻器，也稱為分流電阻器或簡稱分流器，通常具有毫歐范圍內的值。對于電流非常大的應用，分流電阻的值甚至可能只有幾分之一毫歐，以減少電阻消耗的功率。

請注意，即使電阻值很小，分流功率耗散也可能是一個問題，尤其是對于大電流應用。例如，當 R=1 mΩ 和 I= 100 A 時，分流電阻器消耗的功率為

小電阻值也會導致電阻兩端的小電壓降。這就是為什么需要一個放大器將分流電阻上產生的小電壓轉換為適合上游電路的足夠大電壓的原因。

我們將討論，在高端電流檢測中，放大器可能對共模抑制比 （CMRR） 規范有嚴格的要求。

低側和高側感應

將分流電阻器與負載串聯有兩種選擇。這兩種布置被稱為低側和高側電流檢測方法，如圖 2 所示。

圖 2. （a）低側電流感應和（b）高側電流感應技術。

在低端配置中，電流檢測電阻器 （R shunt ） 放置在電源的接地端子和負載的接地端子之間。使用高端方法，分流電阻器放置在電源的正極端子和負載的電源輸入之間。

讓我們看看每種方法的優缺點是什么。

高端與低端感應：共模值

假設 R shunt =1 mΩ 和 I= 100 A。即使有這么大的電流，分流電阻上的電壓降也只有 100 mV。因此，低端分流電阻兩端的電壓共模值僅略高于地電位。而且，對于高端配置，分流電阻器兩端電壓的共模電平非常接近負載電源電壓。

由于低端電流檢測中使用的放大器處理較小的共模電壓，因此它不需要高共模抑制比 （CMRR）。共模抑制比指定放大器對放大器兩個輸入共有的信號表現出多少衰減。由于低側電流檢測配置的共模值幾乎為零，放大器 CMRR 要求顯著放寬，因此可以使用簡單的放大器配置。

圖 3 顯示了一個可用于低側電流檢測的基本放大器。

圖 3

在本例中，放大器由一個運算放大器和兩個增益設置電阻器 R1 和 R2 組成。請注意，這實際上是運算放大器的非反相配置。該放大器更熟悉的原理圖如下所示：

圖 4

另一方面，用于高端電流檢測的放大器需要處理較大的共模電壓。放大器應具有高 CMRR，以防止大共模輸入出現在輸出端。這就是為什么高端電流檢測需要專門的放大器配置。這些放大器應具有高 CMRR 并支持高達負載電源電壓的輸入共模范圍。

值得一提的是，有許多高端電流檢測應用，例如三相電機控制應用，其中負載電源電壓遠大于放大器使用的電源電壓。因此，在高端感應配置中，放大器的輸入共模通常需要遠大于其電源電壓——這一要求使放大器設計非常具有挑戰性。

低端方法可能導致接地環路問題

盡管低端檢測方法簡化了放大器設計，但它也有一些缺點。低端電流測量在接地路徑中放置了一個額外的電阻器。因此，被監測電路的地電位略高于系統地電位。這可能成為一些模擬電路的問題。

由于受監控電路的接地與系統中的其他負載的電位不同，因此可能存在接地回路問題，從而導致可聽見的噪音，例如嗡嗡聲，甚至干擾附近的設備。由于這一限制，低端電流檢測通常用于我們處理一個隔離負載或負載對接地噪聲不敏感的應用中。無人機、鉆機和往復鋸等應用中的成本敏感型電機控制通常采用低側傳感，以便能夠在消費市場空間中競爭。

低端方法無法檢測故障檢測

有多種低側電流檢測無法檢測到的故障情況。圖 5 顯示了一個示例，其中監控電路的電源和系統接地之間發生短路。

圖 5

故障電流 I short從母線電壓直接流向系統接地，不通過分流電阻。因此，電流監控電路不會檢測到這種故障情況。低端電流檢測也無法檢測到被監控電路接地和系統接地之間的短路（圖 6）。

圖 6

但是，高端電流檢測可以檢測分流電阻下游發生的故障情況。如圖 7 所示。

圖 7

在這種情況下，故障電流通過分流電阻。因此，電流測量電路可以檢測到短路情況并觸發適當的糾正措施。

高側電流感應可以簡化接線

低端電流檢測的另一個缺點是，即使系統接地可用，也需要兩條線來為被監控電路供電。例如，在汽車應用中，汽車底盤用作公共接地。由于機箱位于系統地平面，我們只需要一根電線即可為負載供電。但是，如果通過低端測量技術監測通過負載的電流，則不能使用系統接地，并且負載需要兩條線。由于高端傳感技術使用系統接地來監控負載，因此不受此限制。這就是為什么高端傳感更適合汽車應用的原因。

結論

低端檢測的主要優點是可以使用相對簡單的配置來放大分流電阻器兩端的電壓。然而，低端電流檢測容易受到接地干擾，無法檢測故障情況。低端電流檢測通常用于需要能夠在消費市場空間競爭的成本敏感型電機控制應用。