两种电流检测电路设计方案

硬件笔记本 2024-03-30 08:27

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在研发设计电路项目时，依据需要实现的功能指标，进行详细的电路方案开发与验证；面对项目的功能电路研发，工程师一般采用的做法是化整为零，化繁为简，也就是将项目的需要实现的整体功能逐一分解拆散，拆散成众多的小功能。例如

电磁炉项目，工程师可以将其拆散成按键检测功能、数码管显示功能、线圈加热功能、AC-DC功能、线圈驱动功能、风扇散热功能等等；
智能马桶盖项目，工程师可以将其拆散成DC-DC功能、座圈加热功能、位置调节功能、水压调节功能、LCD显示功能、蓝牙功能等等；
电动晾衣架项目，工程师可以将其拆散成红外遥控功能、电机驱动功能、LED驱动功能、LDO电源功能、声音提示功能、过载保护功能等等；

在将项目的整体功能拆散成众多的小功能后，工程师就可以根据每一个小功能，开发出对应的电路解决方案，形成

电路设计方案A，解决了小功能A的研发需求；

电路设计方案B，解决了小功能B的研发需求；

电路设计方案C，解决了小功能C的研发需求；

以此类推......

项目需求分解拆散图

最后将这些电路设计方案A、电路设计方案B、电路设计方案C等等通过一定的逻辑关系组合，构成完整的项目方案原理设计。

无论项目方案如何设计，工程师都了解，在电路方案设计中，存在一个重要的参数，也就是电流参数；

除了电流参数，电路中还存在另外三个重要的参数，电压参数、功率参数与时间频率参数。

衡量电路的一些工作状态，就可以通过电流参数的检测获得。比如

三极管的放大倍数，工程师可以通过检测三极管的基级电流与集电极电流获得；
LED灯的亮度，工程师可以通过检测流过LED灯的电流获得；
加热电阻丝的温度，工程师可以通过检测加热电阻丝的电流获得；

换言之，项目的工作状态判断，工程师可以利用检测项目中的电流参数等这些数据分析得出。如何检测这些电路中的电流参数，就成为工程师必须要解决的问题了。

怎么检测项目电路中的电流参数呢？这需要从项目的原始电路方案设计过程中去寻找。

既然项目的设计需求可以被分解拆散成众多的小功能A、小功能B、小功能C等等，工程师就能据此确定被检测的电流参数是在哪一个小功能电路中，举例说明

项目系统电流分配图

检测电机的工作电流，工程师需要确定项目中的电机是处于小功能A中的Ia，还是小功能B中的Ib，亦或是小功能C中的Ic，还是系统电源中的电流I。

不同电路的电流检测，其设计方案也不相同，电路中的电流大致可以细分为两个类别

类别一：小功能A的电流Ia，小功能B的电流Ib，小功能C的电流Ic

类别二：项目系统电源的电流I

电流Ia、Ib与Ic之所以能归纳成一个相同的类别，主要是因为电流Ia、Ib与Ic在电路结构中，是处于独立分支的工作状态，电流Ia、电流Ib与电流Ic的检测互不影响互不干涉，也就是工程师在检测电流Ia的时候，不需要检测电流Ib或者电流Ic；检测电流Ib的时候，不需要检测电流Ia或者Ic；检测电流Ic的时候，不需要检测电流Ia或者电流Ic。

与之相反，项目系统电源的电流I，其检测的电路方案设计则需要兼顾电流Ia、电流Ib与电流Ic。为什么会出现这种特殊现象呢？为什么检测系统电源的电流I还需要兼顾小功能电路中的电流Ia、电流Ib与电流Ic呢？工程师是时候回顾一下电路中的基尔霍夫定律了，它会告诉答案

系统电源电流I = 电流Ia + 电流Ib + 电流Ic

针对电路中这两个类别的电流，工程师该如何去检测呢？如何设计电流检测功能的电路方案呢？同样地，电路中的电流被分为两个类别，与之对应的检测方案，也分为两个

方案一：电阻电压ADC采集方案

方案二：电阻电压运算放大方案

电阻电压ADC采集方案

电流，经过电阻，在其两端会产生一个压降差----欧姆定律

通过检测电路中的电阻R两端的电压U，依据电阻的电路特性，电流I = 电压U / 电阻R，工程师就可以间接检测出电路中的电流。

电阻电压ADC采集方案图

在电阻电压ADC采集方案图中，由于电路的串联关系，流入电阻R的电流是等于Ia，也就是被检测的电流参数。

当被检测电流Ia流入电阻R，电阻R两端产生一个压降差Ur，由于电阻R的右端直接连接到GND地线（0V），电阻R的左端连接ADC采集端，因此ADC采集的电压也就为电阻R两端的电压Ur。电压Ur通过ADC采集分析处理后，工程师便可以精确地得知检测的电流Ia，Ia = Ur / R。

这就是电阻电压ADC采集方案，电流Ib与电流Ic的检测方案与电流Ia原理类似。

电阻电压ADC采集方案，虽然能实现工程师检测电路中的电流，但也存在一些优缺点

（1）电阻电压ADC采集方案优点

工程师在进行项目电路设计的时候，首选的是电路简洁、稳定可靠、成本低廉、较容易实现的方案。电阻电压ADC采集方案，工程师仅仅通过在电路中串联一个电阻R，不需要经过复杂的电路设计、采用高昂的设计成本，就能实现电流I的检测，非常符合首选方案的要求。

（2）电阻电压ADC采集方案缺点

电阻电压ADC采集方案，虽能帮助工程师实现电流的检测目的，但并非项目系统电路中的电流都能通过此方案检测。在电阻电压ADC采集方案图中，显而易见，检测电路中的电流Ia、电流Ib与电流Ic没有问题，可以分别检测；但若检测电流I，工程师则需要通过同时检测电流Ia、电流Ib与电流Ic，同时设计三个检测电路，同时处理三个电流采集数据，才能依据电流I = 电流Ia + 电流Ib + 电流Ic关系式间接确定电流I的检测，电路设计冗余复杂。

因此电阻电压ADC采集方案，适合电路中的电路Ia、电流Ib与电流Ic这种类似属性的电流检测，对于类似项目系统电流I的电流检测，则显得不是非常适合，不是最优方案。

电阻电压运算放大方案

电阻电压ADC采集方案，不适合项目系统电流I的检测，那工程师该如何去解决这个问题呢？如何去设计其相应的电路检测方案呢？有没有另外一种电路设计方案能实现呢？

当然有，答案是电阻电压运算放大方案。

电阻电压运算放大方案，是利用运算放大器的电压放大作用，将微弱的电压信号进行放大处理，送至ADC采集分析计算；与电阻电压ADC采集方案不同之处，在于采样电阻R的电压处理方式不同。

项目系统电流检测图

流过电阻R的电流I，是等于项目系统的电流。工程师运用电阻电压运算放大方案，通过测量电阻R两端的压降差，进而求得流过电阻R的电流I，最终可达到检测项目系统的电流功能目的。

电阻电压运算放大方案，具体是如何检测电路中电流功能的呢？方案设计的关键在于工程师选用的运算放大器芯片，它的性能直接影响电流检测的精度与准确度。

MPS高精度运算放大器MP8110芯片，一个专用于电流检测功能电路的芯片，适合在电流检测功能的研发项目上。工程师在具体的电路方案应用上，首先需要对MP8110芯片做个基本的了解。

MP8110运算放大器芯片的基本电路特性

（a）MP8110芯片引脚定义

MP8110芯片引脚定义图

Pin 1引脚SHDN：芯片关断控制引脚，高电平有效，即SHDN引脚为高电平时，芯片不工作；
Pin 2引脚NC：不需要连接的引脚；
Pin 3引脚RG1：输入电压放大倍数控制引脚，调节连接在RG1引脚的电阻阻值，控制芯片的放大倍数，通常此引脚连接在采样电阻R电流方向的左端；
Pin 4引脚GND：芯片的参考地引脚；
Pin 5引脚OUT1：芯片的放大倍数输出电压引脚，适合阻性负载电路；
Pin 6引脚RG2：与Pin 3引脚RG1功能类似，区别在于此引脚连接在采样电阻R电流方向的右端；
Pin 7引脚VCC：芯片的工作电源电压引脚；
Pin 8引脚OUT2：芯片的放大倍数输出电压引脚，适合感性负载电路；

由于MP8110芯片在电流检测的功能电路应用中，被检测的对象为电阻，属于阻性负载，非感性负载，因此工程师在具体电路设计的过程中，只需使用MP8110芯片的Pin 5引脚OUT1功能，不需要Pin 8引脚OUT2的电路功能。

（b）MP8110芯片应用电路图

工程师在初步了解MP8110高精度运算放大器芯片引脚定义后，接下来的工作便是根据其电路特性设计相应的项目应用电路图

MP8110芯片应用电路图

在MP8110芯片应用电路图中，Rs电阻为采样电阻，作为电流I检测的功能电阻；RG1、RG2电阻与RGS电阻的阻值选择，设定了运算放大器的电压放大倍数，也就是芯片OUT1引脚的输出电压与Rs电阻两端的电压两者之间的比例关系，表现为

Vout1 = I * Rs * （RGS / RG1）

在电路开发中，为了ADC采集电路计算被检测的电流，MP8110芯片的OUT1引脚输出端直接与ADC采集端连接。举例说明

若被检测的电流大约为4A，采样电阻Rs取值为50mΩ，RG1电阻与RG2电阻取值为2KΩ，RGS电阻取值为20KΩ，MP8110芯片的OUT1引脚输出电压Vout1 = 0.5 * I；也就是MP8110芯片的OUT1引脚输出的电压与检测的电流关系为 Vout1 = 0.5 * I，工程师通过ADC采集功能，分析计算得出Vout1电压，即可完成电流I的检测功能。

电阻电压运算放大方案，虽能较好地实现了电路中的电流检测功能，存在优点之处，同样也存在一些不足之处

01 电阻电压运算放大方案优点

无论是小功能电路中的电流，还是项目系统的电流，电阻电压运算放大方案均能实现对其电流的检测功能；

02 电阻电压运算放大方案缺点

电路设计复杂，调试难度较大，设计成本高昂；

最后的总结

在电流检测功能的电路设计中，综合比较电阻电压ADC采集方案与电阻电压运算放大方案，工程师的选择：

如若被检测的电流I，是处于独立的小功能电路中，与其他小功能的电路电流不存在关系，工程师则优先选用电阻电压ADC采集方案，因为电路设计简单，设计成本低廉；

如若被检测的电流I，是处于项目系统的电源电路中，与其他电路中的电流存在一些叠加关系，工程师则优先选用电阻电压运算放大方案，因为选择电阻电压ADC采集方案则至少需要设计2个检测电路，最后通过相应的叠加关系计算才能得出最后被检测的电流，这样就增加了电路的计算难度，而选择电阻电压运算放大方案，则只需要设计1个检测电路即可。

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