【導(dǎo)讀】電流監(jiān)測監(jiān)控是提高系統(tǒng)效率的有效措施。本文將從電阻選擇、檢測放大器選擇、高邊低邊監(jiān)測等方面著手，介紹電流監(jiān)測監(jiān)控的三大要點(diǎn)。先從使用電阻進(jìn)行電流監(jiān)測監(jiān)控來介紹。
目前，電流檢測的阻值非常低，其主要用于測量流經(jīng)其山的電流。通過該電阻的電流主要是通過電阻兩端的電壓反映出來，所以通過應(yīng)用公式I=V/R該公式是由某著名學(xué)校的老師喬治-西蒙-歐姆提出的：即電阻上的電流與電壓成正比。
上面簡單的介紹就當(dāng)作拋磚引玉了，本文的主題——電阻選擇、高邊或低邊監(jiān)測以及檢測放大器的選擇——都是以這個(gè)電氣工程基本公式為基礎(chǔ)的。
電流檢測監(jiān)控有助于提高一些系統(tǒng)的效率,減少損失。例如,許多手機(jī)實(shí)現(xiàn)了電流檢測監(jiān)控，提高電池壽命，同時(shí)提高可靠性。如果電流消耗太大,手機(jī)可以做出決定，降低CPU頻率來減少電池負(fù)載以此延長電池壽命，同時(shí)防止手機(jī)過熱來增加穩(wěn)定性。甚至有手機(jī)應(yīng)用程序可以訪問電流檢測并且對優(yōu)化手機(jī)的性能做出決策。除了電流檢測監(jiān)控使用了一個(gè)電阻，另外兩個(gè)不太常用的方法也使用了電阻。其一是使用霍爾效應(yīng)傳感器來測量產(chǎn)生通量場的電流。雖然這是非侵入性的,并且具有非插入損耗的優(yōu)點(diǎn)。它相對來說有點(diǎn)貴，并且要求一個(gè)相對大的PCB基板。另一種方法,使用變壓器測量感應(yīng)的交流電流,也屬于面積和成本密集型;并且同時(shí)只對交流電流有用。
本文將介紹使用一個(gè)電阻進(jìn)行電流檢測監(jiān)控的三個(gè)基本方面 ：
1、選擇一個(gè)低阻值精度采樣電阻。如果說基板是基于“位置，位置，位置”，然而選擇一個(gè)電阻就是基于“精度，精度，精度”原則。
2、選擇一個(gè)檢測放大器芯片。當(dāng)感應(yīng)到在小于1歐姆電阻,電壓很小的變化也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很大的結(jié)果。檢測放大器將電壓變化放大，使無意義的事情變的更有意義。
3、檢測電阻的“位置，位置，位置”。這個(gè)若檢測參考電源，稱為高邊檢測，或者如果連接地，又叫作低邊檢測。
精密電流傳感應(yīng)用程序不再是自制食物電路；制造商已經(jīng)做了所有的研究和現(xiàn)代設(shè)計(jì)的大部分工作。
電阻選擇
選擇電阻值，精度和物理尺寸都取決于預(yù)期的電流測量值。電阻值越大,測量可能就越精確,但大的電阻值也會(huì)導(dǎo)致更大的電流損失。對于低功率電池驅(qū)動(dòng)的設(shè)備,必須減少損失,電阻大約一毫米的長度值并且?guī)в谐砂偕锨W姆的電阻經(jīng)常被使用。對于一個(gè)或更多的放大器的更高電流,電阻可以使用更大的阻值,這將得到更準(zhǔn)確的測量與可接受的損失。
盡管電阻器通常認(rèn)為是一個(gè)簡單的二端設(shè)備，為準(zhǔn)確測量當(dāng)前的四端電阻比如Vishay WSK系列，在每個(gè)電阻的末端都使用了二端。這為二端提供了應(yīng)用電路的電流路徑，和另一對感測放大器的電壓檢測路徑。這四端設(shè)置,也稱為開爾文傳感，確保在每個(gè)連接盡可能最小的阻力，確保感測放大器的測量電壓就是電阻兩端的的實(shí)際電壓并且包括小電阻的組合連接。這將使得更加容易相互連接并且減少電阻溫度系數(shù)造成的影響（TCR）。TCR是一個(gè)電阻隨著溫度的升高而阻值增加的效果。電源接到檢測電阻上通常都會(huì)使電阻加熱并且可能連接到100°C或者遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于該溫度的環(huán)境溫度下。盡管檢測電阻設(shè)計(jì)成具有非常低的TCR，但是有線或PCB布線連接起來組合的TCR可能使阻值增加5%到10%。開爾文傳感通過改進(jìn)傳感系統(tǒng)溫度的穩(wěn)定性大大降低了TCR的影響。
WSK0612帶1.0%誤差的電阻可以處理一瓦特的電量并且在小型的DC/DC轉(zhuǎn)換器和一些電池充電器中比較常見。WSK2512系列誤差為0.5%的電阻主要應(yīng)用于筆記本電源和儀器應(yīng)用。Vishay WSK2512可以處理一瓦特并且誤差可以精確到0.5%并且電阻可以從0.025Ω小到如0.0005Ω的都有。
圖：Vishay WSK0612電流檢測電阻和尺寸。
另一個(gè)檢測電阻的重要標(biāo)準(zhǔn)就是隨著溫度改變的穩(wěn)定性在Vishay WSLS和WSLP系列也突顯出來。這些都是長壽電阻并且在工作溫度范圍內(nèi)其阻值波動(dòng)幅度低至0.25%，并且通常用于開關(guān)電源和線性電源以及功率放大器中作為電流檢測電阻。
在處理非常低阻值低電阻過程中有一個(gè)不尋常的問題可能會(huì)碰到，那就是熱EMF。熱EMF是一個(gè)非常小的電壓,占1000分之一伏特，這是存在導(dǎo)體中的溫度微小差異引起的。熱EMF的常規(guī)使用是建立一個(gè)熱電偶，其中微電壓和溫度成正比；但是熱EMF在我們的電流檢測電阻中是不允許出現(xiàn)的，并且可能會(huì)導(dǎo)致不準(zhǔn)確的讀數(shù)。Vishay WSL 和 WSR電阻系列提供了許多性能優(yōu)勢，包括被專門設(shè)計(jì)來減少熱EMF.圖2繪制了Vishay WSL供電金屬條狀電阻和其兩個(gè)競爭對手之間的一個(gè)比較圖。該態(tài)勢圖表明WSL系列有一個(gè)低至 3μv /°C的熱EMF 而競爭對手卻高達(dá)±25μV/°C。
圖：Vishay 50毫歐WSL2512供電條狀電阻和其競爭對手技術(shù)的熱EMF特征進(jìn)行比較。
在圖2的其中兩個(gè)電阻中都是金屬條狀技術(shù)，第三個(gè)是低阻值的厚膜電阻。所有的電阻都是50 mΩ標(biāo)稱電阻。正如上圖展示的，如果不考慮熱EMF就會(huì)導(dǎo)致不準(zhǔn)確的讀數(shù)。
某些應(yīng)用程序有高功率的要求，使用半瓦或更多來強(qiáng)制通過電阻。Vishay WSLP2010 WSLP2512可以分別處理2.0和3.0瓦。WSHM2818 具有7.0瓦高功率密度電流檢測電阻，主要是為高壓電流檢測應(yīng)用比如wattage DC/DC 轉(zhuǎn)換器，桌面PC電源，以及無刷直流電機(jī)控制。對于高溫應(yīng)用，1瓦特的Vishay WSLT和WSR系列可以承受溫度高達(dá)275攝氏度。
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檢測監(jiān)控-高邊或者低邊？
電流分流器監(jiān)控集成電路，同時(shí)也叫電流檢測放大器，精確測量待測電阻兩端的微小電壓。防止檢測放大器干擾被測電壓,這些集成電路具有很高的輸入阻抗。然而,在選擇并聯(lián)顯示器之前，必須做出一個(gè)明智的決定，那就是是否要將電流檢測電阻放置在負(fù)載的電源電壓軌上（高邊監(jiān)控）。或者負(fù)載的地面點(diǎn)（低邊監(jiān)控），每一種都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。
圖：高邊檢測VS低邊檢測。
低邊檢測通常是最便宜和最簡單的方式來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槿绻麢z測電阻的一端在地面系統(tǒng)，并且負(fù)載的另外一端在那些電流待測的負(fù)載的地面，然后電阻兩端的電壓相對系統(tǒng)地面可以通過一個(gè)簡單的引用同一個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)放將其放大。然后該放大電壓通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）進(jìn)行測量。
但是，低邊檢測的缺點(diǎn)與其自身的優(yōu)點(diǎn)有關(guān)，那就是放置一個(gè)電阻在負(fù)載到地的路徑。這種電阻放置導(dǎo)致負(fù)載的地面浮動(dòng)電壓略高于系統(tǒng)地面。這種安排的最常見的問題是潛在的接地回路問題。因?yàn)樨?fù)載與系統(tǒng)中的其他負(fù)載不是在同一個(gè)參考地上。該系統(tǒng)可以開發(fā)一個(gè)可聽噪音，如哼哼,甚至對附近的設(shè)備產(chǎn)生干擾，包括音頻和視頻的干擾。另外，低邊檢測不能夠檢測錯(cuò)誤條件，比如在地面路徑的一個(gè)短路或者開路，由于連接問題或外界干擾引起的。
由于這個(gè)原因，低邊檢測的意義在于處理大電流，一個(gè)孤立的負(fù)載,或其他情況下,系統(tǒng)不受地面路徑影響。
高邊檢測是用于當(dāng)一個(gè)并聯(lián)電阻成列放置在系統(tǒng)電源和負(fù)載之間。這個(gè)配置對電流的變化更加敏感并且對系統(tǒng)地添加了免干擾功能。其主要缺點(diǎn)是由于分流電阻不是在系統(tǒng)地面上，差動(dòng)電壓必須被測量出來，因?yàn)樗枰_匹配合適的差分放大器。然而,它的缺點(diǎn)是消除了一個(gè)來自德州儀器的精密電流分流監(jiān)控器。
電流分流監(jiān)控器
選擇電流分流監(jiān)控器的幾個(gè)因素：
共模范圍：該規(guī)范定義了放大器對地的輸入允許直流電壓范圍。電流分流監(jiān)控器通常指定接受共模電壓比芯片供電電壓高。比如說。德州儀器的INA225電流分流監(jiān)控器和TI的INA300電流檢測比較器可以接受的DC電壓是從0v到36V。他們兩者都是非常靈活的，并且可以用于高邊或者低邊監(jiān)控。INA225擁有 I2C 接口，允許一個(gè)微控制器去讀被監(jiān)控的電流根據(jù)被測的電壓和功耗。TI 的INA282擁有一個(gè)非常寬的共模-14 v + 80 v的范圍以及一個(gè)只有 1.5 μV/°C低的偏置漂移。
偏置電壓：這是在放大器輸入端測量電壓，假設(shè)正極和負(fù)極輸入是基本一樣的電壓。理想情況下這個(gè)電壓是零,但實(shí)際上它總是一個(gè)非零電壓。小的偏移電壓會(huì)導(dǎo)致巨大的錯(cuò)誤，它可以增加芯片壽命和動(dòng)態(tài)溫度。德州儀器的INA230雙向電流分流監(jiān)控器擁有一個(gè)低至 50μV的偏置電壓當(dāng)其溫度范圍是-40 + 125°C時(shí)。然而，對于最好的精度，這個(gè)TI的INA226在現(xiàn)在的市場上是一款最高精度的電流檢測監(jiān)控器，其偏置電壓是只有10μV 并且一個(gè)共模范圍達(dá)到36V。他們兩者都實(shí)現(xiàn)了一個(gè) I2C 系列接口以方便大多數(shù)微控制器接口。
共模抑制比（CMRR）：這個(gè)規(guī)范是一個(gè)放大器檢測和拒收信號的能力出現(xiàn)在兩個(gè)差分輸入。電路板上的放大器的物理位置可能會(huì)導(dǎo)致噪聲耦合到輸入上由于熱噪聲,高頻信號，或者高電流,從而誘導(dǎo)磁電流耦合。德州儀器的大部分電流分流監(jiān)控器有一個(gè)經(jīng)典的共模抑制比高達(dá)140dB，包括INA226，INA210，和INA282。
由于電流分流監(jiān)控器有太多的選擇，目標(biāo)電路究竟該使用哪一個(gè)？正如本文所討論，選擇是與系統(tǒng)有關(guān)的。電流分流電阻和監(jiān)控器現(xiàn)在被用于這些以前并不需要進(jìn)行電流監(jiān)測，但是現(xiàn)在需要提高電池效率的應(yīng)用。其中例子包括儀表,無線充電電源,平板電腦和手機(jī)、工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療設(shè)備供電,電池和太陽能系統(tǒng)。
結(jié)語
電流監(jiān)控的需求越來越重要，尤其是對于電池驅(qū)動(dòng)的設(shè)備。電流監(jiān)測監(jiān)控可以顯著提高系統(tǒng)優(yōu)勢，越仔細(xì)的選擇合適的組件就越可能延長電池壽命和許多電子系統(tǒng)的壽命。
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