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(guò)的導體周?chē)拇艌?chǎng)，另一種是在電流路徑中插入一個(gè)小電阻，然后測量電阻上的壓降。第一種方法不會(huì )引起干擾或引入插損，但成本相對比較昂貴，而且容易產(chǎn)生非線(xiàn)性效應和溫度系數誤差。因此磁場(chǎng)檢測方法通常局限于能夠承受與無(wú)插損相關(guān)的較高成本的應用。

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

電阻檢測

在電流路徑中以串聯(lián)的方式插入一個(gè)低阻值的檢測電阻會(huì )形成一個(gè)小的電壓降，該壓降可被放大從而被當作一個(gè)正比于電流的信號。然而，根據具體應用環(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。

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

圖1：上面簡(jiǎn)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精度內的電壓。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(gè)共模電壓上，這個(gè)共模電壓對低邊檢測方法來(lái)說(shuō)接近地電平(0V)，但對高邊檢測方法來(lái)說(shuō)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(lái)說(shuō)應包含地，對高邊方案來(lái)說(shuō)應包含電源電壓。

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(gè)低成本、低電壓的運放進(jìn)行放大。低邊電流檢測簡(jiǎn)單且成本低，但許多應用不能容忍由于檢測電阻引入的地線(xiàn)干擾。較高的負載電流會(huì )使問(wèn)題更加嚴重，因為系統中地電平被低邊電流檢測偏移的某個(gè)模塊可能需要與地電位沒(méi)變的其他模塊進(jìn)行通信。

為了更好地理解這個(gè)問(wèn)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轉換器的輸出連接到了“2線(xiàn)”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(xiàn)來(lái)傳遞指示電池狀態(tài)的電池細節信息，還有一根線(xiàn)用于溫度測量，出于安全的原因，這根線(xiàn)與負極和正極端子是隔離的。為了檢測電池溫度，電池通常內置一個(gè)熱敏電阻，由該電阻提供正比于電池負極電壓的輸出信號。

當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(lái)調整功率流。由于檢測電壓隨電池電流而變，這樣就會(huì )改變電池負極的電壓，而溫度輸出是以負極端子作為基準信號因此就導致溫度輸出不精確。

低邊檢測的另外一個(gè)主要缺點(diǎn)，體現在電池和地之間意外短路所導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(huì )產(chǎn)生足夠毀壞MOS開(kāi)關(guān)(S1)的大電流。然而，盡管有這樣的問(wèn)題，低邊檢測方案的簡(jiǎn)單和低成本使得它對那些短路保護不是必要的應用來(lái)說(shuō)有很大的吸引力，因為在這種應用中地線(xiàn)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(xiàn)干擾，還能檢測到電池到系統地的意外短路。

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，從監視處理器內核電壓要求的電平(約1V)到在工業(yè)、汽車(chē)和電信應用常見(jiàn)的數百伏電壓不等。應用案例包括典型筆記本電腦的電池電壓(17到20V)，汽車(chē)應用中的12V、24V或48V電池，48V電信應用，高壓電機控制應用，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(gè)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。