高邊和低邊電流檢測(cè)技術(shù)分析

電流的檢測(cè)有兩種基本的方案。一種是測(cè)量電流流過的導(dǎo)體周圍的磁場(chǎng)，另一種是在電流路徑中插入一個(gè)小電阻，然后測(cè)量電阻上的壓降。第一種方法不會(huì)引起干擾或引入插損，但成本相對(duì)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(chǎng)檢測(cè)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(cè)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(cè)量結(jié)果。本文還介紹了高邊和低邊檢測(cè)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(cè)

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

比如將檢測(cè)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(jiǎn)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(cè)，與之相對(duì)應(yīng)的方法為高邊檢測(cè)，即檢測(cè)電阻放在電源和負(fù)載之間(見圖1A)。

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

檢測(cè)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(cè)放大器檢測(cè)到并在目標(biāo)精度內(nèi)的電壓。值得注意的是，在檢測(cè)電阻上得到的這種差分檢測(cè)信號(hào)寄生在一個(gè)共模電壓上，這個(gè)共模電壓對(duì)低邊檢測(cè)方法來說接近地電平(0V)，但對(duì)高邊檢測(cè)方法來說就接近電源電壓。這樣，測(cè)量放大器的輸入共模電壓范圍對(duì)低邊方案來說應(yīng)包含地，對(duì)高邊方案來說應(yīng)包含電源電壓。

由于低邊檢測(cè)時(shí)的共模電壓接近地電平，因此電流檢測(cè)電壓可以用一個(gè)低成本、低電壓的運(yùn)放進(jìn)行放大。低邊電流檢測(cè)簡(jiǎn)單且成本低，但許多應(yīng)用不能容忍由于檢測(cè)電阻引入的地線干擾。較高的負(fù)載電流會(huì)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(cè)偏移的某個(gè)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(gè)問題，可以看一下圖2中采用低邊電流檢測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)電池溫度，電池通常內(nèi)置一個(gè)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(hào)。

當(dāng)采用低邊檢測(cè)方案時(shí)，可按照如圖2底部所示的方式插入檢測(cè)電阻。由電池電流產(chǎn)生的檢測(cè)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(cè)電壓隨電池電流而變，這樣就會(huì)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(hào)因此就導(dǎo)致溫度輸出不精確。

低邊檢測(cè)的另外一個(gè)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(cè)到。在圖2所示電路中，正極電源和地之間短路會(huì)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(cè)方案的簡(jiǎn)單和低成本使得它對(duì)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(cè)？

高邊電流檢測(cè)(圖1b)指的是將檢測(cè)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(cè)方案中產(chǎn)生的地線干擾，還能檢測(cè)到電池到系統(tǒng)地的意外短路。

然而，高邊檢測(cè)要求檢測(cè)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(cè)以及高壓LED背光燈等。因此，高邊電流檢測(cè)的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)，那就是檢測(cè)放大器具備處理較大共模電壓的能力。