高邊和低邊電流檢測技術分析

電流的檢測有兩種基本的方案。一種是測量電流流過的導體周圍的磁場，另一種是在電流路徑中插入一個小電阻，然后測量電阻上的壓降。第一種方法不會引起干擾或引入插損，但成本相對比較昂貴，而且容易產生非線性效應和溫度系數誤差。因此磁場檢測方法通常局限于能夠承受與無插損相關的較高成本的應用。

本文主要討論半導體行業中已經得到應用的電阻檢測技術，它能為各種應用提供精確且高性價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，并通過實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的方式插入一個低阻值的檢測電阻會形成一個小的電壓降，該壓降可被放大從而被當作一個正比于電流的信號。然而，根據具體應用環境和檢測電阻的位置，這種技術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單的運放進行放大(見圖1B)。這種方法被稱為低邊電流檢測，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(見圖1A)。

圖1：上面簡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共模電壓上，這個共模電壓對低邊檢測方法來說接近地電平(0V)，但對高邊檢測方法來說就接近電源電壓。這樣，測量放大器的輸入共模電壓范圍對低邊方案來說應包含地，對高邊方案來說應包含電源電壓。

由于低邊檢測時的共模電壓接近地電平，因此電流檢測電壓可以用一個低成本、低電壓的運放進行放大。低邊電流檢測簡單且成本低，但許多應用不能容忍由于檢測電阻引入的地線干擾。較高的負載電流會使問題更加嚴重，因為系統中地電平被低邊電流檢測偏移的某個模塊可能需要與地電位沒變的其他模塊進行通信。

為了更好地理解這個問題，可以看一下圖2中采用低邊電流檢測技術的“智能電池”充電器，其中AC/DC轉換器的輸出連接到了“2線”智能電池。

圖2：采用低邊電流檢測技術的“智能電池”。

這種電池通常采用單線來傳遞指示電池狀態的電池細節信息，還有一根線用于溫度測量，出于安全的原因，這根線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，可按照如圖2底部所示的方式插入檢測電阻。由電池電流產生的檢測電壓經放大后饋入控制器，再由控制器做出一些必要的處理來調整功率流。由于檢測電壓隨電池電流而變，這樣就會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主要缺點，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產生足夠毀壞MOS開關(S1)的大電流。然而，盡管有這樣的問題，低邊檢測方案的簡單和低成本使得它對那些短路保護不是必要的應用來說有很大的吸引力，因為在這種應用中地線干擾是可以容忍的。

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生的地線干擾，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、汽車和電信應用常見的數百伏電壓不等。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重要優勢，那就是檢測放大器具備處理較大共模電壓的能力。