对于高侧和低侧电流测量的系统权衡

电流是基本的物理量之一，以安培(A)为单位。当1A恒定保持在真空中相距 1米的两无限长、圆截面可忽略的平行直导线内时，在此两条导线之间在每米长度上所产生的力为2×10-7牛顿。由于无法实现这一理论定义，实际上采用尽可能接近于定义条件的装置来复现安培。

测量电流听起来可能是一项简单的任务，但它并不像听起来那么容易。无法直接感应电流；但是，它与我们可以直接感知的其他可测量参数有关，例如电压和磁场密度。

一般来说，有两种测量电流的方法。第一种方法是测量载流导体周围产生的磁场密度。当我们需要无创电流测量时，此方法适用，但我们需要证明其相对较高的成本和复杂的实施是合理的。第二种方法是使用一个小的分流电阻并测量由电流产生的跨过它的差分电压，这是欧姆定律的直接实现。这种方法由于其高精度和低实施成本而很常见。图 1 显示了两种不同的方法和每种方法背后的基础物理学。

图 1：电流传感方法及其基础物理

在这篇文章中，我将讨论在不同实现中利用欧姆定律的基于电阻的方法，并展示它们的一些系统优势和权衡。

根据要测量的电流的应用和用途（保护、系统监控或控制），我们可以将分流电阻器放置在电源和负载之间或负载和接地之间。第一个放置称为高侧感应（感应进入负载的电流），而第二个放置称为低侧感应（感应离开负载的电流）。表 1 总结了这两种方法。

表 1：高侧与低侧感测

许多工程师为成本敏感的应用选择低侧感应。图 2a 显示了最常见的方法，使用单端运算放大器 (op amp)。这种方法实施起来既简单又便宜；然而，这里的主要权衡是准确性。使用这种方法，寄生电阻和电阻增益网络的温度系数将显着影响精度。

图 2：用于电流测量的主要低侧运算放大器实施方案

另一个陷阱是我们无法检测负载短路故障。我们可以使用图 2b 中所示的差分配置来缓解与接地干扰和寄生相关的精度问题。精度仍将受 CMRR 和解决方案漂移的限制，这是运算放大器和增益电阻匹配的函数。CMRR 和漂移越好，解决方案的成本就越高。

为了克服这些问题，TI 推出了专用的电流检测解决方案。该INA180系列器件是一个伟大的例子，提供了高精确度对成本敏感的应用。INA180 系列具有 350kHz 的高闭环带宽和 2V/µs 的快速压摆率，使其可用于恒流稳压器、电源和电机驱动器等应用中，这些应用受益于此类特性。图 3 显示了 INA180 的基本应用图和一些关键规格。

图 3：INA180 基本应用图和关键特性

电流感测位置根据测量电流的应用和预期用途而变化。对于能够容忍接地干扰和负载短路的成本敏感型应用，低边检测更可取。当不能容忍接地干扰并且需要检测负载短路时，高端检测是首选。与专用电流传感器相比，传统的分立式实施往往精度有限，解决方案占用空间更大，并且在相同精度水平下成本相对较高。高侧感测解决了负载短路检测和消除接地干扰的需要。主要挑战是放大器需要承受的高共模电压。这一挑战，除了离散实现和成本权衡的准确性挑战之外，促使设计工程师考虑其他解决方案。同样，专用电流传感器是完美的解决方案，因为它们提供高精度、低成本和高共模电压。INA180 是另一个出色的高侧感测解决方案，因为该器件的共模电压最高可达 26V。

INA180 以合适的价格为成本敏感型应用提供了性能、解决方案尺寸和设计灵活性的完美结合，这些应用非常适合新电子设备的主要驱动因素——成本、性能和尺寸。