對(duì)于高側(cè)和低側(cè)電流測(cè)量的系統(tǒng)權(quán)衡

電流是基本的物理量之一，以安培(A)為單位。當(dāng)1A恒定保持在真空中相距 1米的兩無限長(zhǎng)、圓截面可忽略的平行直導(dǎo)線內(nèi)時(shí)，在此兩條導(dǎo)線之間在每米長(zhǎng)度上所產(chǎn)生的力為2×10-7牛頓。由于無法實(shí)現(xiàn)這一理論定義，實(shí)際上采用盡可能接近于定義條件的裝置來復(fù)現(xiàn)安培。

測(cè)量電流聽起來可能是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的任務(wù)，但它并不像聽起來那么容易。無法直接感應(yīng)電流；但是，它與我們可以直接感知的其他可測(cè)量參數(shù)有關(guān)，例如電壓和磁場(chǎng)密度。

一般來說，有兩種測(cè)量電流的方法。第一種方法是測(cè)量載流導(dǎo)體周圍產(chǎn)生的磁場(chǎng)密度。當(dāng)我們需要無創(chuàng)電流測(cè)量時(shí)，此方法適用，但我們需要證明其相對(duì)較高的成本和復(fù)雜的實(shí)施是合理的。第二種方法是使用一個(gè)小的分流電阻并測(cè)量由電流產(chǎn)生的跨過它的差分電壓，這是歐姆定律的直接實(shí)現(xiàn)。這種方法由于其高精度和低實(shí)施成本而很常見。圖 1 顯示了兩種不同的方法和每種方法背后的基礎(chǔ)物理學(xué)。

圖 1：電流傳感方法及其基礎(chǔ)物理

在這篇文章中，我將討論在不同實(shí)現(xiàn)中利用歐姆定律的基于電阻的方法，并展示它們的一些系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)和權(quán)衡。

根據(jù)要測(cè)量的電流的應(yīng)用和用途（保護(hù)、系統(tǒng)監(jiān)控或控制），我們可以將分流電阻器放置在電源和負(fù)載之間或負(fù)載和接地之間。第一個(gè)放置稱為高側(cè)感應(yīng)（感應(yīng)進(jìn)入負(fù)載的電流），而第二個(gè)放置稱為低側(cè)感應(yīng)（感應(yīng)離開負(fù)載的電流）。表 1 總結(jié)了這兩種方法。

表 1：高側(cè)與低側(cè)感測(cè)

許多工程師為成本敏感的應(yīng)用選擇低側(cè)感應(yīng)。圖 2a 顯示了最常見的方法，使用單端運(yùn)算放大器 (op amp)。這種方法實(shí)施起來既簡(jiǎn)單又便宜；然而，這里的主要權(quán)衡是準(zhǔn)確性。使用這種方法，寄生電阻和電阻增益網(wǎng)絡(luò)的溫度系數(shù)將顯著影響精度。

圖 2：用于電流測(cè)量的主要低側(cè)運(yùn)算放大器實(shí)施方案

另一個(gè)陷阱是我們無法檢測(cè)負(fù)載短路故障。我們可以使用圖 2b 中所示的差分配置來緩解與接地干擾和寄生相關(guān)的精度問題。精度仍將受 CMRR 和解決方案漂移的限制，這是運(yùn)算放大器和增益電阻匹配的函數(shù)。CMRR 和漂移越好，解決方案的成本就越高。

為了克服這些問題，TI 推出了專用的電流檢測(cè)解決方案。該INA180系列器件是一個(gè)偉大的例子，提供了高精確度對(duì)成本敏感的應(yīng)用。INA180 系列具有 350kHz 的高閉環(huán)帶寬和 2V/μs 的快速壓擺率，使其可用于恒流穩(wěn)壓器、電源和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等應(yīng)用中，這些應(yīng)用受益于此類特性。圖 3 顯示了 INA180 的基本應(yīng)用圖和一些關(guān)鍵規(guī)格。

圖 3：INA180 基本應(yīng)用圖和關(guān)鍵特性

電流感測(cè)位置根據(jù)測(cè)量電流的應(yīng)用和預(yù)期用途而變化。對(duì)于能夠容忍接地干擾和負(fù)載短路的成本敏感型應(yīng)用，低邊檢測(cè)更可取。當(dāng)不能容忍接地干擾并且需要檢測(cè)負(fù)載短路時(shí)，高端檢測(cè)是首選。與專用電流傳感器相比，傳統(tǒng)的分立式實(shí)施往往精度有限，解決方案占用空間更大，并且在相同精度水平下成本相對(duì)較高。高側(cè)感測(cè)解決了負(fù)載短路檢測(cè)和消除接地干擾的需要。主要挑戰(zhàn)是放大器需要承受的高共模電壓。這一挑戰(zhàn)，除了離散實(shí)現(xiàn)和成本權(quán)衡的準(zhǔn)確性挑戰(zhàn)之外，促使設(shè)計(jì)工程師考慮其他解決方案。同樣，專用電流傳感器是完美的解決方案，因?yàn)樗鼈兲峁└呔取⒌统杀竞透吖材ｋ妷骸?/span>INA180 是另一個(gè)出色的高側(cè)感測(cè)解決方案，因?yàn)樵撈骷墓材ｋ妷鹤罡呖蛇_(dá) 26V。

INA180 以合適的價(jià)格為成本敏感型應(yīng)用提供了性能、解決方案尺寸和設(shè)計(jì)靈活性的完美結(jié)合，這些應(yīng)用非常適合新電子設(shè)備的主要驅(qū)動(dòng)因素——成本、性能和尺寸。