【硬件电路设计】电流检测电路怎么接？

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1 两种电流检测电路

在电路设计中，使用最广泛的电流采样方法是在电流回路中串联高精度的电阻，通过测量电阻两端的电压计算回路的电流值大小。具体检测方法有如下两种：

1.1 高侧电流检测

图1 高侧电流检测

如图1，高侧电流检测，Rsense放在电源端。

优点：不影响负载的接地。

缺点：运放需要承受较大的输入电压，来完成小电压信号的放大。

1.2 低侧电流检测

图2 低侧电流检测

如图2所示，低侧电流检测，Rsense两端一端接地。

优点：运放不会承担高电压问题。

缺点：这种情况下，负载的地就被抬升且不稳定，可能会影响负载的正常工作。虽然采样电阻阻值很小，GND的抬升可能只有数个mv，但采样电阻的温漂会造成其两端电压的变化，进而造成负载的地不稳定。当负载对地的要求较高，使用低侧电流检测是不合适的。

综上两种情况，除非特别高压的场合，会有电压的尖峰和浪涌，选高侧电流检测更合适，只需要选一个能承受高输入电压的运放即可。对于特殊负载（对地要求不高）可以选择低端的电流检测，比如帕尔帖。

2 如何提高电流检测的精度？

2.1 关于运放的选择

无论高侧电流还是低侧电流采样，采样电阻的阻值，通常选得很低，来减小对负载的影响。这样采样电阻两端的电压也会很小，就不得不使用运放将电压进行放大。

那么，为了提高测量精度，应该如何选择运放？

Vos （失调电压）要尽量小：这是对于电流检测用的运放的最重要的要求。见图3，Vos的等效图。采样电阻两侧电压Vsense 本身较小，一般为了减小采样电阻的发热量，控制在几个mv。如果选择的运放不理想，Vos会消耗一部分电压，导致测量结果不准确。

图3 Vos等效电路

运放的带宽、高共模抑制比（CMRR）、 低失调漂移（Drift）、 低偏置电流（Ibias）也是需要关注的。

2.2 选单端放大还是差分放大？

差分放大可以直接采样Rsense 两端电阻，可以排除共模干扰。如果使用单端放大，Rsense只有一端接入运放，另一端要接地。如果接地线过长，也会造成不预期的寄生电阻。所以，尽量选择差分放大。（图示的Rshunt 即为Rsense）

图 4 单端放大电路示意

图 5差分放大电路示意

2.3 关于采样电阻

考虑到电阻损耗的影响，通常采用小于1欧姆的电阻。我们不仅要考虑电阻本身的阻值、封装、精度、功率、温漂，还要考虑其他方法来提高测试精度。

这种场景下，开尔文接法能够提高采样精度。

误差源是与检测电阻串联的焊接电阻。如下图所示

图 6 一般layout图示

在该图中，负载电流沿红色箭头方向从左向右流动。垂直走线将分流电阻器连接到放大器输入（In+ 和 In-）。因此，放大器会检测 A 点和 B 点之间的电压差。检测电阻的实际值将为 Rshunt+2Rsolder。焊接电阻可以在几百微欧的范围内。

尤其是在使用小分流电阻器时，该误差变得显著。为了解决这个问题，放大器输入应直接连接到分流电阻而不是载流走线。如下图是优化后的PCB布局图。

图 7 开尔文连接图示

在这种情况下，有两对PCB焊盘：一对用于将Rshunt连接到负载，另一对用于将Rshunt连接到放大器输入。在大电流应用中，放大器消耗的电流(Iamp)远小于Iload。因此上述布局可以减少阻焊电阻造成的误差。

为了更好地理解这种技术，让我们比较两种情况下的感测电压。对于图 6 所示的布局，检测到的电压为：

由于Iamp比Iload小得多，我们有

-公式1

这给出了2Rsolder1*Iload的误差电压。图 7 中的电路图如下所示：

图 8 开尔文连接等效连接电路图

请注意，电流 Iload 无需通过 Rsolder2 即可返回其源。测得的电压为：

在这种情况下，误差为 2Rsolder2*Iamp，它远小于公式 1，因为Iamp远小于 Iload。这种电路结构我们通常称为开尔文接法，这种接法在很多领域中得到使用，开尔文接法能使我们准确测量阻抗。图9显示了采用Kelvin传感技术的其他一些PCB布局。

图 9 一些开尔文连接实例

3 总结

1)根据实际情况来选择高侧电流检测还是低侧电流检测

2)提高检测精度需要选择合适的运放

3)选择差分放大而不是单端放大

4)采样电阻要使用开尔文连接