电阻电流检测:低侧检测与高侧检测

出处:维库电子市场网 发布于:2023-11-29 16:13:16

  许多应用,例如电源管理、电池充电、电机控制和过流保护,都可以受益于电阻电流传感。将电流检测电阻器与负载串联放置有两种选择: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点和缺点。
  电阻式电流检测

  在处理低到中等电流水平时,电阻电流传感广泛用于印刷电路板组件。利用这种技术,将已知的电阻器 R分流器与负载串联放置,并测量电阻器两端产生的电压以确定负载电流。图 1 对此进行了说明。

  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。对于非常高的电流应用,分流电阻器的值甚至可能是毫欧的几分之一,以减少电阻器消耗的功率。
  请注意,即使电阻值很小,分流功耗也可能是一个问题,特别是对于高电流应用。例如,当 R=1 mΩ 且 I= 100 A 时,分流电阻器消耗的功率为:
  \[P = R \乘以 I^2 = 0.001 \乘以 100^2 = 10 W\]
  小电阻值也会导致电阻器两端的电压降较小。这就是为什么需要放大器将分流电阻器两端产生的小电压转换为适合上游电路的足够大的电压。
  我们将讨论,在高端电流检测中,放大器在共模抑制比 (CMRR) 规范方面可能有严格的要求。
  低侧和高侧检测

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

  图 2. (a)低侧电流检测和(b)高侧电流检测技术。
  在低侧配置中,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。采用高侧方法时,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点和缺点是什么。
  高侧与低侧检测:共模值
  假设 R shunt = 1 mΩ 且 I= 100 A。即使电流如此大,分流电阻两端的压降也仅为 100 mV。因此,低侧分流电阻两端的电压共模值仅略高于地电位。而且,对于高侧配置,分流电阻器两端电压的共模电平非常接近负载电源电压。

  由于低侧电流检测中使用的放大器处理较小的共模电压,因此不需要具有高共模抑制比 (CMRR)。共模抑制比指定放大器对放大器两个输入端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,因此放大器 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。这个放大器比较熟悉的原理图如下所示:

  图4
  输出是 V shunt的放大版本,可以通过以下等式找到:
  \[V_{out} = \left(1 + \frac{R_2}{R_1}\right) V_{in} = \left(1 + \frac{R_2}{R_1}\right) V_{分流}\]
  另一方面,用于高端电流检测的放大器需要处理大的共模电压。放大器应具有高 CMRR,以防止输出处出现大共模输入。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,有许多高侧电流检测应用,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,在高端检测配置中,放大器的输入共模通常需要远大于其电源电压,这一要求使得放大器设计非常具有挑战性。
  低侧方法可能会导致接地环路问题
  尽管低侧检测方法简化了放大器设计,但它也有一些缺点。低侧电流测量在接地路径中放置了一个附加电阻。因此,受监控电路的接地电位略高于系统接地电位。对于某些模拟电路来说,这可能会成为一个问题。
  由于受监控电路的接地电位与系统中其他负载的电位不同,因此可能存在接地环路问题,从而导致可闻噪声(例如嗡嗡声),甚至干扰附近的设备。由于这一限制,低侧电流检测通常用于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对成本敏感的电机控制通常采用低侧传感,以便能够在消费市场领域竞争。
  低侧方法无法检测故障

  低侧电流检测无法检测到多种故障情况。图5显示了被监控电路的电源和系统接地之间发生短路的示例。

  图5

  故障电流 Ishort从总线电压直接流向系统接地,不经过分流电阻。因此,电流监控电路将不会检测到该故障情况。低侧电流感应也无法检测受监控电路的接地与系统接地之间的短路(图 6)。

  图6

  然而,高侧电流检测可以检测分流电阻器下游发生的故障情况。如图 7 所示。

  图7
  在这种情况下,故障电流流过分流电阻。因此,电流测量电路可以检测短路状况并触发适当的纠正措施。
  高侧电流检测可以简化接线
  低侧电流检测的另一个缺点是,即使系统接地可用,也需要两根电线来为受监控电路供电。例如,在汽车应用中,汽车底盘充当公共接地点。由于机箱位于系统地面,我们只需要一根电线即可为负载供电。然而,如果通过低侧测量技术监测通过负载的电流,则不能使用系统接地,并且负载需要两根电线。由于高侧传感技术使用系统接地来监控负载,因此它不受此限制。这就是为什么高侧传感更适合汽车应用。
  在下一篇文章中,我们将更详细地研究图 3 中的原理图。我们将看到这种结构也容易受到 PCB 走线电阻的影响,并且可以通过差分放大器进行更准确的测量。
  结论
  低侧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,低侧电流检测容易受到接地干扰的影响,并且无法检测故障情况。低侧电流感应通常用于需要能够在消费市场领域竞争的成本敏感型电机控制应用。
关键词:电流检测

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