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）（請注意，此電阻器通常稱為分流電阻器，盡管它不會“分流”電流）。

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

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

1）在哪里放置這個電阻？

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)是電氣上最簡單的方法，因?yàn)闇y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. 在低端檢測中，檢測電阻器放置在負(fù)載和接地之間（公共端），這簡化了相關(guān)電路，但帶來了負(fù)載和系統(tǒng)問題（圖片來源：Stack Exchange Inc）。

然而，這種布置具有固有的問題。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，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)問題，但在測量電阻器兩端的電壓時帶來了與共模電壓和系統(tǒng)完整性相關(guān)的新問題

這消除了不接地負(fù)載的問題，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)。這就引出了第二個問題。

2） 什么可以用來檢測電阻兩端的電壓？

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

每個差分放大器在測量差分電壓時都有一個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法進(jìn)行電壓測量，甚至可能被損壞。

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。一種方法是使用一個浮動的隔離放大器，它與系統(tǒng)接地沒有電流連接（圖 4）。可以使用可以承受數(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)問題，甚至可能要求安全，但會增加組件成本

然而，與差分放大器相比，它們確實(shí)提供了一個主要優(yōu)勢。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電阻？

在這里，我們遇到了一個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)，通常在存在來自系統(tǒng)時鐘、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)熱也會由于其電阻溫度系數(shù) （TCR） 而改變電阻值本身。此 TCR 問題在高于幾安培的較高電流水平下更為嚴(yán)重。一個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。

在評估大多數(shù)設(shè)計(jì)中的這些權(quán)衡后，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。

這個簡短的討論再次證明，僅僅因?yàn)槟臣卤澈笥幸粋€簡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