高邊和低邊電流檢測技術(shù)分析

電流的檢測有兩種基本的方案。一種是測量電流流過的導(dǎo)體周圍的磁場，另一種是在電流路徑中插入一個小電阻，然后測量電阻上的壓降。第一種方法不會引起干擾或引入插損，但成本相對比較昂貴，而且容易產(chǎn)生非線性效應(yīng)和溫度系數(shù)誤差。因此磁場檢測方法通常局限于能夠承受與無插損相關(guān)的較高成本的應(yīng)用。

本文主要討論半導(dǎo)體行業(yè)中已經(jīng)得到應(yīng)用的電阻檢測技術(shù)，它能為各種應(yīng)用提供精確且高性價(jià)比的直流電流測量結(jié)果。本文還介紹了高邊和低邊檢測原理，并通過實(shí)際例子幫助設(shè)計(jì)師選擇適合自己應(yīng)用的最佳方法。

電阻檢測

在電流路徑中以串聯(lián)的方式插入一個低阻值的檢測電阻會形成一個小的電壓降，該壓降可被放大從而被當(dāng)作一個正比于電流的信號。然而，根據(jù)具體應(yīng)用環(huán)境和檢測電阻的位置，這種技術(shù)將對檢測放大器造成不同的挑戰(zhàn)。

比如將檢測電阻放在負(fù)載和電路地之間，那么該電阻上形成的壓降可以用簡單的運(yùn)放進(jìn)行放大(見圖1B)。這種方法被稱為低邊電流檢測，與之相對應(yīng)的方法為高邊檢測，即檢測電阻放在電源和負(fù)載之間(見圖1A)。

圖1：上面簡化的框圖描述了一種基本的高邊檢測電路(圖1A)和一種基本的低邊檢測電路(圖1B)。

檢測電阻值應(yīng)盡可能低，以保持功耗可控，但也要足夠大，以便產(chǎn)生能被檢測放大器檢測到并在目標(biāo)精度內(nèi)的電壓。值得注意的是，在檢測電阻上得到的這種差分檢測信號寄生在一個共模電壓上，這個共模電壓對低邊檢測方法來說接近地電平(0V)，但對高邊檢測方法來說就接近電源電壓。這樣，測量放大器的輸入共模電壓范圍對低邊方案來說應(yīng)包含地，對高邊方案來說應(yīng)包含電源電壓。

由于低邊檢測時(shí)的共模電壓接近地電平，因此電流檢測電壓可以用一個低成本、低電壓的運(yùn)放進(jìn)行放大。低邊電流檢測簡單且成本低，但許多應(yīng)用不能容忍由于檢測電阻引入的地線干擾。較高的負(fù)載電流會使問題更加嚴(yán)重，因?yàn)橄到y(tǒng)中地電平被低邊電流檢測偏移的某個模塊可能需要與地電位沒變的其他模塊進(jìn)行通信。

為了更好地理解這個問題，可以看一下圖2中采用低邊電流檢測技術(shù)的“智能電池”充電器，其中AC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出連接到了“2線”智能電池。

圖2：采用低邊電流檢測技術(shù)的“智能電池”。

這種電池通常采用單線來傳遞指示電池狀態(tài)的電池細(xì)節(jié)信息，還有一根線用于溫度測量，出于安全的原因，這根線與負(fù)極和正極端子是隔離的。為了檢測電池溫度，電池通常內(nèi)置一個熱敏電阻，由該電阻提供正比于電池負(fù)極電壓的輸出信號。

當(dāng)采用低邊檢測方案時(shí)，可按照如圖2底部所示的方式插入檢測電阻。由電池電流產(chǎn)生的檢測電壓經(jīng)放大后饋入控制器，再由控制器做出一些必要的處理來調(diào)整功率流。由于檢測電壓隨電池電流而變，這樣就會改變電池負(fù)極的電壓，而溫度輸出是以負(fù)極端子作為基準(zhǔn)信號因此就導(dǎo)致溫度輸出不精確。

低邊檢測的另外一個主要缺點(diǎn)，體現(xiàn)在電池和地之間意外短路所導(dǎo)致的短路電流不能被檢測到。在圖2所示電路中，正極電源和地之間短路會產(chǎn)生足夠毀壞MOS開關(guān)(S1)的大電流。然而，盡管有這樣的問題，低邊檢測方案的簡單和低成本使得它對那些短路保護(hù)不是必要的應(yīng)用來說有很大的吸引力，因?yàn)樵谶@種應(yīng)用中地線干擾是可以容忍的。

為什么要用高邊檢測？

高邊電流檢測(圖1b)指的是將檢測電阻放在電源電壓和負(fù)載之間的高位。這種放置方式不僅消除了低邊檢測方案中產(chǎn)生的地線干擾，還能檢測到電池到系統(tǒng)地的意外短路。

然而，高邊檢測要求檢測放大器處理接近電源電壓的共模電壓。這種共模電壓值范圍很寬，從監(jiān)視處理器內(nèi)核電壓要求的電平(約1V)到在工業(yè)、汽車和電信應(yīng)用常見的數(shù)百伏電壓不等。應(yīng)用案例包括典型筆記本電腦的電池電壓(17到20V)，汽車應(yīng)用中的12V、24V或48V電池，48V電信應(yīng)用，高壓電機(jī)控制應(yīng)用，用于雪崩二極管和PIN二極管的電流檢測以及高壓LED背光燈等。因此，高邊電流檢測的一個重要優(yōu)勢，那就是檢測放大器具備處理較大共模電壓的能力。