這個(gè)簡單的電流檢測電阻一點(diǎn)也不簡單

測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)）消耗的功率是一項(xiàng)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)傳感器或電感式電流探頭，但迄今為止最流行的方法是使用已知值的電阻器與負(fù)載串聯(lián)，并測量其兩端的電壓（圖 1）。然后，快速應(yīng)用歐姆定律（I = V/R）可以根據(jù)需要計(jì)算電流和功率（請注意，該電阻通常稱為分流電阻器，盡管它不會“分流”電流）。

圖1.乍一看，通過電阻器進(jìn)行電流檢測只是歐姆定律V=IR的基本應(yīng)用

雖然這個(gè)概念簡單有效，但實(shí)際實(shí)施提出了三個(gè)沒有單一“正確”答案的問題。相反，它們是平衡各種權(quán)衡與優(yōu)先級和實(shí)用性的設(shè)計(jì)困境的另一個(gè)案例。我們簡單看一下這三個(gè)問題：

1） 這個(gè)電阻器放在哪里？

顯而易見的地方是負(fù)載和電路之間（通常稱為“接地”，但由于各種原因，這通常是用詞不當(dāng);圖2）。這種低邊檢測在電氣上是最簡單的方法，因?yàn)殡娮鑳啥藴y量其電壓的模擬電路也可以連接到公共（地）。

圖2.在低側(cè)檢測中，檢測電阻放置在負(fù)載和地之間（共模），這簡化了相關(guān)電路，但帶來了負(fù)載和系統(tǒng)問題

但是，這種安排存在固有的問題。首先，負(fù)載現(xiàn)在不再接地，這會導(dǎo)致各種性能和環(huán)路穩(wěn)定性問題。即使這些缺點(diǎn)是可以接受的，在許多實(shí)際情況下，負(fù)載在物理上附著在地面上（想想汽車中的啟動電機(jī)，它用螺栓固定在車架上）。另一種方法是高端檢測，其中電阻位于電源軌和負(fù)載之間（圖 3）。

圖3.高端檢測最大限度地減少了負(fù)載和系統(tǒng)問題，但在測量電阻兩端的電壓時(shí)帶來了與共模電壓和系統(tǒng)完整性相關(guān)的新問題

這消除了未接地負(fù)載的問題，但意味著檢測電路現(xiàn)在浮動在地上，標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器無法容忍這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這就引出了第二個(gè)問題。

2） 什么可以用來檢測電阻兩端的電壓？

由于檢測電阻不再接地（共模），其放大器必須檢測其輸入端兩端的電壓，而兩個(gè)輸入端均不在參考地。這需要一個(gè)稱為差分放大器的特殊放大器（一種標(biāo)準(zhǔn)的、廣泛使用的設(shè)備，它是一種設(shè)計(jì)用于測量電位差（電壓的正式和指示性名稱）的放大器，無論該差值相對于接地的位置如何 - 最高可達(dá)某個(gè)電壓電平，稱為共模電壓（SMV））。

每個(gè)差動放大器在測量差分電壓時(shí)都有一個(gè)可以承受的最大共模電壓;典型值為50 V。如果負(fù)載兩端的壓降（視為電阻兩端共有的電壓）大于最大額定值，差分放大器將飽和，無法進(jìn)行電壓測量，甚至可能損壞。

如果共模電壓對于差分放大器來說太大，則需要更先進(jìn)的方法。一種方法是使用浮動隔離放大器，該放大器與系統(tǒng)接地沒有電氣連接（圖 4）。隔離放大器可以承受數(shù)百甚至數(shù)千伏的電壓，但它們比基本的差分放大器更昂貴。

圖4.隔離放大器消除了高端檢測問題，甚至可能要求安全，但增加了元件成本

然而，與差分放大器相比，它們確實(shí)具有很大的優(yōu)勢。如果差動放大器發(fā)生故障并在內(nèi)部短路，則其輸出端將出現(xiàn)全電源軌電壓。這可能會燒毀連接的電路，甚至可能對用戶造成危險(xiǎn)（請注意，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、國家和標(biāo)準(zhǔn)）。相比之下，隔離放大器不僅可以承受數(shù)千伏的共模電壓，而且其設(shè)計(jì)本身可以防止輸入至輸出短路，從而保護(hù)系統(tǒng)和用戶。

3） 使用什么值的電流檢測電阻？

在這里，我們有一個(gè)很容易陳述的工程困境，需要判斷最可接受的答案。電阻兩端的電壓是目標(biāo)參數(shù)，通常在系統(tǒng)時(shí)鐘、電機(jī)、各種負(fù)載甚至附近系統(tǒng)存在噪聲的情況下進(jìn)行測量。因此，為了最大限度地提高電壓讀數(shù)的分辨率、精度和SNR，首選更大值的電阻器。

但是，另一方面，較高值電阻在給定電流下有兩個(gè)負(fù)值：首先，它減去電源軌電壓，從而減去可以輸送到負(fù)載的功率。其次，它還耗散了更多的功率（I2R 損耗），表示浪費(fèi)功率并引起自熱。即使可以容忍損耗和低效率，自發(fā)熱也會由于其電阻溫度系數(shù)（TCR）而改變電阻值本身。這種TCR問題在高于幾安培的較高電流水平下更為嚴(yán)重。基本的低成本電阻具有相當(dāng)高的TCR，因此讀取精度會受到電流本身的偏差。另一種方法是指定一種特殊的低TCR電阻器，該電阻器是使用獨(dú)特的配方為此目的制造的。

在大多數(shù)設(shè)計(jì)中評估這些權(quán)衡時(shí)，可接受的SNR與過度耗散和TCR引起的誤差之間的最佳平衡點(diǎn)是允許檢測電阻兩端的最大壓降約為100 mΩ，無論電源軌電壓或電流消耗如何（當(dāng)然也有例外）。因此，為負(fù)載提供高達(dá)1 A電流的電源軌將使用0.1 Ω （100 mΩ）。

電流檢測電阻器供應(yīng)商確實(shí)制造了如此低的值甚至更低的電阻，例如TT Electronics的EBW系列，其尺寸為25至500 μΩ，功耗為3W，容量為200 A，TCR低于200 ppm/°C。 即使是這些極端低阻值的電阻器，通常也不能在不考慮其安裝和連接的情況下插入電路，因?yàn)樗鼈兣c連接線之間幾mΩ的典型接觸電阻可能過大。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)簡短的討論再次證明，僅僅因?yàn)槟承〇|西背后有一個(gè)簡單的概念并不意味著它會很容易很好地執(zhí)行。這就是工程挑戰(zhàn)的本質(zhì)。