電(diàn)阻電(diàn)流检测：低侧与高侧检测

2021-08-03

電(diàn)阻電(diàn)流检测：低侧与高侧检测

许多(duō)应用(yòng)，例如電(diàn)源管理(lǐ)、電(diàn)池充電(diàn)、電(diàn)机控制和过流保护，都可(kě)以从電(diàn)阻電(diàn)流检测中受益。将電(diàn)流检测電(diàn)阻器与负载串联放置有(yǒu)两种选择：低侧和高侧電(diàn)流检测。 

電(diàn)阻電(diàn)流检测

在处理(lǐ)低至中等電(diàn)流水平时，電(diàn)阻電(diàn)流检测广泛用(yòng)于印刷電(diàn)路板组件。使用(yòng)这种技术，将一个已知的電(diàn)阻 R分(fēn)流器与负载串联，并测量電(diàn)阻两端的電(diàn)压以确定负载電(diàn)流。如图 1 所示。

图1

電(diàn)流检测電(diàn)阻器，也称為(wèi)分(fēn)流電(diàn)阻器或简称為(wèi)分(fēn)流器，通常具有(yǒu)毫欧范围内的值。对于非常大的電(diàn)流应用(yòng)，分(fēn)流電(diàn)阻的值甚至可(kě)能(néng)是几分(fēn)之一毫欧，以减少電(diàn)阻消耗的功率。

请注意，即使電(diàn)阻值很(hěn)小(xiǎo)，分(fēn)流功耗也可(kě)能(néng)是一个问题，尤其是对于大電(diàn)流应用(yòng)。例如，当 R=1 mΩ 且 I= 100 A 时，分(fēn)流電(diàn)阻器消耗的功率為(wèi)：

\[P = R \times I^2 = 0.001 \times 100^2 = 10 W\]

一个小(xiǎo)的電(diàn)阻值也会导致電(diàn)阻两端的電(diàn)压降很(hěn)小(xiǎo)。这就是為(wèi)什么需要放大器将分(fēn)流電(diàn)阻器上产生的小(xiǎo)電(diàn)压转换為(wèi)适合上游電(diàn)路的足够大的電(diàn)压的原因。

我们将讨论，在高侧電(diàn)流检测中，放大器在共模抑制比 (CMRR) 规范方面可(kě)能(néng)有(yǒu)严格的要求。

低边和高边感应

将分(fēn)流電(diàn)阻器与负载串联放置有(yǒu)两种选择。这两种安排被称為(wèi)低侧和高侧電(diàn)流检测方法，如图 2 所示。 

图 2. (a)低侧電(diàn)流检测和(b)高侧電(diàn)流检测技术。

在低侧配置中，電(diàn)流检测電(diàn)阻器 (R shunt ) 放置在電(diàn)源的接地端子和负载的接地端子之间。对于高边方法，分(fēn)流電(diàn)阻放置在電(diàn)源的正极和负载的電(diàn)源输入之间。

让我们看看每种方法的优缺点是什么。

高端与低端感应：共模值

假设 R shunt =1 mΩ 且 I = 100 A。即使有(yǒu)这么大的電(diàn)流，分(fēn)流電(diàn)阻上的压降也仅為(wèi) 100 mV。因此，低侧分(fēn)流電(diàn)阻器两端電(diàn)压的共模值仅略高于地電(diàn)位。而且，对于高侧配置，分(fēn)流電(diàn)阻器两端的電(diàn)压的共模電(diàn)平非常接近负载電(diàn)源電(diàn)压。

由于低侧電(diàn)流检测中使用(yòng)的放大器处理(lǐ)小(xiǎo)的共模電(diàn)压，因此不需要高共模抑制比 (CMRR)。共模抑制比指定放大器对放大器两个输入共有(yǒu)的信号表现出多(duō)少衰减。由于低侧電(diàn)流检测配置的共模值几乎為(wèi)零，因此放大器 CMRR 要求显着放宽，因此可(kě)以使用(yòng)简单的放大器配置。

图 3 显示了一个可(kě)用(yòng)于低侧電(diàn)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電(diàn)阻器 R1 和 R2 组成。请注意，这实际上是运算放大器的同相配置。这个放大器更熟悉的原理(lǐ)图如下所示：

图 4

输出是 V分(fēn)流器的放大版本，可(kě)以通过以下等式找到： 

\[V_{out} = \left(1 + \frac{R_2}{R_1}\right) V_{in} = \left(1 + \frac{R_2}{R_1}\right) V_{shunt}\]

另一方面，用(yòng)于高端電(diàn)流检测的放大器需要处理(lǐ)较大的共模電(diàn)压。放大器应具有(yǒu)高 CMRR，以防止大的共模输入出现在输出端。这就是為(wèi)什么需要专门的放大器配置来检测高端電(diàn)流的原因。这些放大器应具有(yǒu)高 CMRR，并支持高达负载電(diàn)源電(diàn)压的输入共模范围。

值得一提的是，有(yǒu)许多(duō)高侧電(diàn)流检测应用(yòng)，例如三相電(diàn)机控制应用(yòng)，其中负载電(diàn)源電(diàn)压遠(yuǎn)大于用(yòng)于放大器的電(diàn)源電(diàn)压。因此，在高侧感测配置中，放大器的输入共模通常需要遠(yuǎn)大于其電(diàn)源電(diàn)压——这一要求使放大器设计非常具有(yǒu)挑战性。  

低边方法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(yǒu)一些缺点。低侧電(diàn)流测量在接地路径中放置了一个额外的電(diàn)阻器。因此，被监控電(diàn)路的接地電(diàn)位略高于系统接地電(diàn)位。这可(kě)能(néng)成為(wèi)某些模拟電(diàn)路的问题。

由于受监控電(diàn)路的接地与系统中的其他(tā)负载的電(diàn)位不同，因此可(kě)能(néng)存在接地环路问题，导致可(kě)听见的噪声，例如嗡嗡声，甚至干扰附近的设备。由于这一限制，低侧電(diàn)流检测通常用(yòng)于处理(lǐ)一个隔离负载或负载对接地噪声不敏感的应用(yòng)中。无人机、钻机和往复锯等应用(yòng)中对成本敏感的電(diàn)机控制通常采用(yòng)低侧传感，以便能(néng)够在消费市场领域竞争。 

低边方法无法检测故障检测

存在低侧電(diàn)流检测无法检测到的各种故障情况。图 5 显示了一个示例，其中受监控電(diàn)路的電(diàn)源与系统接地之间发生短路。 

图 5

故障電(diàn)流 I short直接从总線(xiàn)電(diàn)压流向系统接地，不通过分(fēn)流電(diàn)阻。因此，電(diàn)流监控電(diàn)路不会检测到这种故障情况。低侧電(diàn)流检测也无法检测到受监控電(diàn)路的接地与系统接地之间的短路（图 6）。

图 6

但是，高端電(diàn)流检测可(kě)以检测分(fēn)流電(diàn)阻器下游发生的故障情况。如图 7 所示。

图 7

在这种情况下，故障電(diàn)流通过分(fēn)流電(diàn)阻。因此，電(diàn)流测量電(diàn)路可(kě)以检测短路情况并触发适当的纠正措施。 

高端電(diàn)流检测可(kě)简化接線(xiàn)

低侧電(diàn)流检测的另一个缺点是，即使系统接地可(kě)用(yòng)，也需要两根電(diàn)線(xiàn)為(wèi)受监控電(diàn)路供電(diàn)。例如，在汽車(chē)应用(yòng)中，汽車(chē)底盘用(yòng)作公共接地。由于机箱位于系统地平面，我们只需要一根電(diàn)線(xiàn)来為(wèi)负载供電(diàn)。但是，如果通过低侧测量技术监测通过负载的電(diàn)流，则不能(néng)使用(yòng)系统接地，并且负载需要两根导線(xiàn)。由于高端传感技术使用(yòng)系统接地作為(wèi)受监控负载，因此不受此限制。这就是為(wèi)什么高端传感更适合汽車(chē)应用(yòng)的原因。 

我们将更详细地研究图 3 中的原理(lǐ)图。我们将看到这种结构也容易受到 PCB 走線(xiàn)電(diàn)阻的影响，并且可(kě)以通过差分(fēn)放大器进行更准确的测量。