對于高側(cè)和低側(cè)電流測量的系統(tǒng)權衡

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

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

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

圖 1：電流傳感方法及其基礎物理

在這篇文章中，我將討論在不同實現(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)勢和權衡。

根據(jù)要測量的電流的應用和用途（保護、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載之間或負載和接地之間。第一個放置稱為高側(cè)感應（感應進入負載的電流），而第二個放置稱為低側(cè)感應（感應離開負載的電流）。表 1 總結(jié)了這兩種方法。

表 1：高側(cè)與低側(cè)感測

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

圖 2：用于電流測量的主要低側(cè)運算放大器實施方案

另一個陷阱是我們無法檢測負載短路故障。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的精度問題。精度仍將受 CMRR 和解決方案漂移的限制，這是運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解決方案。該INA180系列器件是一個偉大的例子，提供了高精確度對成本敏感的應用。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、電源和電機驅(qū)動器等應用中，這些應用受益于此類特性。圖 3 顯示了 INA180 的基本應用圖和一些關鍵規(guī)格。

圖 3：INA180 基本應用圖和關鍵特性

電流感測位置根據(jù)測量電流的應用和預期用途而變化。對于能夠容忍接地干擾和負載短路的成本敏感型應用，低邊檢測更可取。當不能容忍接地干擾并且需要檢測負載短路時，高端檢測是首選。與專用電流傳感器相比，傳統(tǒng)的分立式實施往往精度有限，解決方案占用空間更大，并且在相同精度水平下成本相對較高。高側(cè)感測解決了負載短路檢測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)，除了離散實現(xiàn)和成本權衡的準確性挑戰(zhàn)之外，促使設計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，因為它們提供高精度、低成本和高共模電壓。INA180 是另一個出色的高側(cè)感測解決方案，因為該器件的共模電壓最高可達 26V。

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