分享两种电流检测电路设计方案
出处:网络整理 发布于:2026-07-31 15:44:32 | 22 次阅读
以常见的项目为例,在电磁炉项目中,工程师可将其拆解为按键检测功能、数码管显示功能、线圈加热功能、AC - DC 功能、线圈驱动功能、风扇散热功能等;智能马桶盖项目可拆解成 DC - DC 功能、座圈加热功能、位置调节功能、水压调节功能、LCD 显示功能、蓝牙功能等;电动晾衣架项目则能拆解为红外遥控功能、电机驱动功能、LED 驱动功能、LDO 电源功能、声音提示功能、过载保护功能等。
将项目的整体功能拆解为众多小功能后,工程师就可以针对每一个小功能,开发出对应的电路解决方案。例如,电路设计方案 A 解决小功能 A 的研发需求,电路设计方案 B 解决小功能 B 的研发需求,电路设计方案 C 解决小功能 C 的研发需求,以此类推。最后,再将这些电路设计方案 A、B、C 等通过一定的逻辑关系组合起来,构成完整的项目方案原理设计。
在电路方案设计中,电流参数是一个非常重要的指标。除了电流参数外,电路中还存在电压参数、功率参数与时间频率参数。通过检测电流参数,我们可以衡量电路的一些工作状态。比如,三极管的放大倍数可以通过检测三极管的基极电流与集电极电流来获得;LED 灯的亮度可以通过检测流过 LED 灯的电流来得知;加热电阻丝的温度也可以通过检测加热电阻丝的电流来确定。也就是说,工程师可以利用检测项目中的电流参数等数据,对项目的工作状态进行判断。那么,如何检测这些电路中的电流参数呢?这需要从项目的原始电路方案设计过程中去寻找答案。
由于项目的设计需求可以被分解为众多的小功能 A、B、C 等,工程师可以据此确定被检测的电流参数所在的小功能电路。例如,在检测电机的工作电流时,工程师需要明确项目中的电机是处于小功能 A 中的 Ia,还是小功能 B 中的 Ib,亦或是小功能 C 中的 Ic,还是系统电源中的电流 I。
不同电路的电流检测,其设计方案也有所不同。电路中的电流大致可以细分为两个类别:一类是小功能 A 的电流 Ia,小功能 B 的电流 Ib,小功能 C 的电流 Ic;另一类是项目系统电源的电流 I。电流 Ia、Ib 与 Ic 之所以能归纳为同一类别,主要是因为它们在电路结构中处于独立分支的工作状态,相互之间的检测互不影响、互不干涉。也就是说,在检测电流 Ia 时,不需要检测电流 Ib 或者电流 Ic;检测电流 Ib 时,不需要检测电流 Ia 或者 Ic;检测电流 Ic 时,不需要检测电流 Ia 或者电流 Ib。而项目系统电源的电流 I 的检测电路方案设计则需要兼顾电流 Ia、Ib 与 Ic。这是因为根据电路中的基尔霍夫定律,系统电源电流 I 等于电流 Ia + 电流 Ib + 电流 Ic。
针对电路中这两个类别的电流,对应的检测方案也分为两种:电阻电压 ADC 采集方案和电阻电压运算放大方案。
电阻电压 ADC 采集方案
根据欧姆定律,电流经过电阻时,会在其两端产生一个压降差。通过检测电路中电阻 R 两端的电压 U,依据电流 I = 电压 U / 电阻 R 的关系,工程师就可以间接检测出电路中的电流。
在电阻电压 ADC 采集方案中,由于电路的串联关系,流入电阻 R 的电流等于 Ia,即被检测的电流参数。当被检测电流 Ia 流入电阻 R 时,电阻 R 两端会产生一个压降差 Ur。因为电阻 R 的右端直接连接到 GND 地线(0V),左端连接 ADC 采集端,所以 ADC 采集的电压就是电阻 R 两端的电压 Ur。电压 Ur 经过 ADC 采集分析处理后,工程师就能精确地得知检测的电流 Ia,即 Ia = Ur / R。电流 Ib 与电流 Ic 的检测方案与电流 Ia 原理类似。电阻电压 ADC 采集方案具有一定的优点。工程师在进行项目电路设计时,通常会优先选择电路简洁、稳定可靠、成本低廉且易于实现的方案。而电阻电压 ADC 采集方案只需在电路中串联一个电阻 R,无需进行复杂的电路设计和高昂的成本投入,就能实现电流 I 的检测,符合首选方案的要求。然而,该方案也存在不足之处。并非项目系统电路中的所有电流都能通过此方案检测。在电阻电压 ADC 采集方案图中可以明显看出,检测电路中的电流 Ia、电流 Ib 与电流 Ic 没有问题,但如果要检测电流 I,工程师则需要同时检测电流 Ia、电流 Ib 与电流 Ic,同时设计三个检测电路,并同时处理三个电流采集数据,才能依据电流 I = 电流 Ia + 电流 Ib + 电流 Ic 的关系式间接确定电流 I 的检测,这样会使电路设计变得冗余复杂。因此,电阻电压 ADC 采集方案适合电路中的电流 Ia、电流 Ib 与电流 Ic 这种类似属性的电流检测,对于类似项目系统电流 I 的电流检测则不是最优方案。
电阻电压运算放大方案
既然电阻电压 ADC 采集方案不适合项目系统电流 I 的检测,那么工程师该如何解决这个问题并设计相应的电路检测方案呢?答案就是电阻电压运算放大方案。
电阻电压运算放大方案利用运算放大器的电压放大作用,将微弱的电压信号进行放大处理,然后送至 ADC 采集分析计算。与电阻电压 ADC 采集方案不同的是,它对采样电阻 R 的电压处理方式有所差异。
流过电阻 R 的电流 I 等于项目系统的电流。工程师运用电阻电压运算放大方案,通过测量电阻 R 两端的压降差,进而求得流过电阻 R 的电流 I,最终达到检测项目系统电流的功能目的。该方案设计的关键在于选用的运算放大器芯片,其性能直接影响电流检测的精度与准确度。以 MPS 高精度运算放大器 MP8110 芯片为例,它是专门用于电流检测功能电路的芯片,适合在电流检测功能的研发项目中使用。
MP8110 运算放大器芯片的基本电路特性
引脚定义
Pin 1 引脚 SHDN:芯片关断控制引脚,高电平有效,即 SHDN 引脚为高电平时,芯片不工作。Pin 2 引脚 NC:不需要连接的引脚。
Pin 3 引脚 RG1:输入电压放大倍数控制引脚,通过调节连接在 RG1 引脚的电阻阻值,可以控制芯片的放大倍数,通常此引脚连接在采样电阻 R 电流方向的左端。
Pin 4 引脚 GND:芯片的参考地引脚。
Pin 5 引脚 OUT1:芯片的放大倍数输出电压引脚,适合阻性负载电路。
Pin 6 引脚 RG2:与 Pin 3 引脚 RG1 功能类似,区别在于此引脚连接在采样电阻 R 电流方向的右端。
Pin 7 引脚 VCC:芯片的工作电源电压引脚。
Pin 8 引脚 OUT2:芯片的放大倍数输出电压引脚,适合感性负载电路。
由于 MP8110 芯片在电流检测的功能电路应用中,被检测的对象为电阻,属于阻性负载,非感性负载,因此工程师在具体电路设计过程中,只需使用 MP8110 芯片的 Pin 5 引脚 OUT1 功能,不需要 Pin 8 引脚 OUT2 的电路功能。
应用电路图
工程师在初步了解 MP8110 高精度运算放大器芯片引脚定义后,接下来需要根据其电路特性设计相应的项目应用电路图。在 MP8110 芯片应用电路图中,Rs 电阻为采样电阻,作为电流 I 检测的功能电阻;RG1、RG2 电阻与 RGS 电阻的阻值选择,设定了运算放大器的电压放大倍数,即芯片 OUT1 引脚的输出电压与 Rs 电阻两端的电压之间的比例关系,表现为 Vout1 = I * Rs * (RGS / RG1)。在电路开发中,为了便于 ADC 采集电路计算被检测的电流,MP8110 芯片的 OUT1 引脚输出端直接与 ADC 采集端连接。例如,若被检测的电流大约为 4A,采样电阻 Rs 取值为 50mΩ,RG1 电阻与 RG2 电阻取值为 2KΩ,RGS 电阻取值为 20KΩ,则 MP8110 芯片的 OUT1 引脚输出电压 Vout1 = 0.5 * I,即 MP8110 芯片的 OUT1 引脚输出的电压与检测的电流关系为 Vout1 = 0.5 * I。工程师通过 ADC 采集功能,分析计算得出 Vout1 电压,即可完成电流 I 的检测功能。电阻电压运算放大方案虽然能较好地实现电路中的电流检测功能,但也有其优缺点。优点是无论是小功能电路中的电流,还是项目系统的电流,该方案均能实现对其电流的检测功能;缺点则是电路设计复杂,调试难度较大,设计成本高昂。
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