那個(gè)簡(jiǎn)單的電流檢測(cè)電阻一點(diǎn)也不簡(jiǎn)單

測(cè)量電流以確定電池狀態(tài)或負(fù)載（如電機(jī)、燈或子系統(tǒng)）消耗的功率是常見的電路要求。雖然有多種方法可以做到這一點(diǎn)，例如使用霍爾效應(yīng)傳感器或感應(yīng)電流探頭，但目前最流行的方法是使用與負(fù)載串聯(lián)的已知值電阻器，并測(cè)量其兩端的電壓（圖1）。然后，快速應(yīng)用歐姆定律 （I = V/R） 可以計(jì)算電流以及功率（如果需要）（請(qǐng)注意，此電阻器通常稱為分流電阻器，盡管它不會(huì)“分流”電流）。

圖 1.通過(guò)電阻器檢測(cè)電流只是歐姆定律的基本應(yīng)用，V = IR – 乍一看

雖然這個(gè)概念簡(jiǎn)單有效，但實(shí)際實(shí)施提出了三個(gè)問(wèn)題，沒(méi)有單一的“正確”答案。相反，它們是平衡各種權(quán)衡與優(yōu)先級(jí)和實(shí)用性的設(shè)計(jì)困境的又一個(gè)案例。讓我們簡(jiǎn)單地看一下這三個(gè)問(wèn)題：

1）在哪里放置這個(gè)電阻？

明顯的位置位于負(fù)載和電路公共端之間（通常稱為“接地”，但由于各種原因，這通常是用詞不當(dāng)；圖 2）。這種低端感應(yīng)是電氣上最簡(jiǎn)單的方法，因?yàn)闇y(cè)量其電壓的電阻兩端的模擬電路也可以連接到公共端（地）。

圖 2. 在低端檢測(cè)中，檢測(cè)電阻器放置在負(fù)載和接地之間（公共端），這簡(jiǎn)化了相關(guān)電路，但帶來(lái)了負(fù)載和系統(tǒng)問(wèn)題（圖片來(lái)源：Stack Exchange Inc）。

然而，這種布置具有固有的問(wèn)題。首先，負(fù)載現(xiàn)在不再接地，這會(huì)導(dǎo)致各種性能和環(huán)路穩(wěn)定性問(wèn)題。即使這些缺點(diǎn)是可以接受的，但在許多實(shí)際情況下，負(fù)載實(shí)際上是接地的（想想汽車中的起動(dòng)電機(jī)，它用螺栓固定在車架上）。另一種方法是高側(cè)感應(yīng)，其中電阻器位于電源軌和負(fù)載之間（圖 3）。

圖 3.高側(cè)感應(yīng)最大限度地減少了負(fù)載和系統(tǒng)問(wèn)題，但在測(cè)量電阻器兩端的電壓時(shí)帶來(lái)了與共模電壓和系統(tǒng)完整性相關(guān)的新問(wèn)題

這消除了不接地負(fù)載的問(wèn)題，但意味著傳感電路現(xiàn)在浮在地面之上，標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器不能容忍這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這就引出了第二個(gè)問(wèn)題。

2） 什么可以用來(lái)檢測(cè)電阻兩端的電壓？

由于檢測(cè)電阻器不再接地（公共端），因此其放大器必須檢測(cè)其輸入端的電壓，且兩個(gè)輸入端均不處于接地參考。這需要一個(gè)特殊的放大器，稱為差分放大器（一種標(biāo)準(zhǔn)的、廣泛使用的設(shè)備，它是一種旨在測(cè)量電位差（電壓的正式和指示性名稱）的放大器，無(wú)論該電位差相對(duì)于地的位置 - 高達(dá)一定的電壓電平，稱為共模電壓（SMV））。

每個(gè)差分放大器在測(cè)量差分電壓時(shí)都有一個(gè)它可以承受的最大共模電壓；典型值為 50 V。如果負(fù)載兩端的電壓降（被視為電阻兩端的公共電壓）大于最大額定值，則差分放大器將飽和并無(wú)法進(jìn)行電壓測(cè)量，甚至可能被損壞。

如果共模電壓對(duì)于差分放大器來(lái)說(shuō)太大，則需要更先進(jìn)的方法。一種方法是使用一個(gè)浮動(dòng)的隔離放大器，它與系統(tǒng)接地沒(méi)有電流連接（圖 4）?？梢允褂每梢猿惺軘?shù)百甚至數(shù)千伏電壓的隔離放大器，但它們比基本差分放大器更昂貴。

圖 4.隔離放大器消除了高側(cè)感應(yīng)問(wèn)題，甚至可能要求安全，但會(huì)增加組件成本

然而，與差分放大器相比，它們確實(shí)提供了一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)。如果差分放大器發(fā)生故障并在內(nèi)部短路，則完整的電源軌電壓將出現(xiàn)在其輸出端。這可能會(huì)燒毀連接的電路，甚至可能對(duì)用戶造成危險(xiǎn)（請(qǐng)注意，安全限制往往在 60 V 左右生效，具體取決于要滿足的應(yīng)用、國(guó)家和標(biāo)準(zhǔn)）。相比之下，隔離放大器不僅可以承受數(shù)千共模電壓，而且其設(shè)計(jì)本身可以防止輸入到輸出短路，從而保護(hù)系統(tǒng)和用戶。

3） 使用什么值的電流檢測(cè)電阻？

在這里，我們遇到了一個(gè)很容易陳述的工程難題，并且需要判斷最可接受的答案。電阻兩端的電壓是感興趣的參數(shù)，通常在存在來(lái)自系統(tǒng)時(shí)鐘、電機(jī)、各種負(fù)載甚至附近系統(tǒng)的噪聲的情況下進(jìn)行測(cè)量。因此，為了最大限度地提高電壓讀數(shù)的分辨率、精度和 SNR，最好使用較大值的電阻器。

但是，另一方面，較高值的電阻器在給定電流下有兩個(gè)負(fù)值：首先，它從軌電壓中減去，因此可以傳遞給負(fù)載的功率。其次，它還消耗更多的功率（I 2 R 損耗），這表示浪費(fèi)的功率并引起自熱。即使可以容忍損耗和低效率，自發(fā)熱也會(huì)由于其電阻溫度系數(shù) （TCR） 而改變電阻值本身。此 TCR 問(wèn)題在高于幾安培的較高電流水平下更為嚴(yán)重。一個(gè)基本的低成本電阻器具有相當(dāng)高的 TCR，因此讀數(shù)精度會(huì)受到電流本身的影響。另一種方法是使用獨(dú)特的配方指定為此目的制造的特殊的低 TCR 電阻器。

在評(píng)估大多數(shù)設(shè)計(jì)中的這些權(quán)衡后，可接受的 SNR 與過(guò)度耗散和 TCR 引起的誤差之間的最佳平衡點(diǎn)是允許檢測(cè)電阻器上的最大壓降約為 100 mΩ，而不管軌電壓或電流消耗如何（也有例外， 當(dāng)然）。因此，向其負(fù)載提供高達(dá) 1 A 電流的導(dǎo)軌將使用 0.1 Ω （100 mΩ）。

電流檢測(cè)電阻器的供應(yīng)商確實(shí)使它們具有如此低甚至更低的值，例如 TT Electronics 的 EBW 系列（圖 5），提供 25 至 500 μΩ、3W 耗散、200 A 容量和低于 200 ppm 的 TCR /°C。即使是這些極低值的電阻器，通常也不能在不考慮其安裝和連接的情況下直接放入電路中，因?yàn)樗鼈兣c連接線之間的典型接觸電阻為幾 mΩ，可能會(huì)過(guò)大。因此，傳感器放大器引線連接至關(guān)重要，可能需要開爾文連接。

這個(gè)簡(jiǎn)短的討論再次證明，僅僅因?yàn)槟臣卤澈笥幸粋€(gè)簡(jiǎn)單的概念并不意味著它很容易執(zhí)行。這就是工程挑戰(zhàn)的本質(zhì)。

審核編輯：郭婷