一文搞懂电阻式电流采样

原创硬件之路学习笔记 2024-06-07 06:00 4513浏览 0评论 0点赞

汽车照明的秘密武器，竟然是…… 别让示波器限制想象力，工程师新选择来了

-----本文简介-----

主要内容包括：

两种电阻式电流采样方式介绍
电阻式电流采样电路与PCB设计

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----- 正文 -----

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一、电阻式电流采样方式介绍

1. 基本电流采样方案

常见的电阻式电流采样方案如下图1和图2。

※ 图1将一个采样电阻Rs串联在电流通路中，采样电阻靠近电源VCC侧，电流I流过采样电阻会产生压差，用电流采样放大器放大放大A倍后得到一个电压Vout，Vout=I*Rs*A，MCU的ADC读取这个电压Vout，用Vout就可以反算出流过通路的电流大小。

图1 高侧采样

※ 图2也是将一个采样电阻Rs串联在电流通路中，但采样电阻靠近电源GND侧，由于电阻Rs一端接地此种方式不需要读电阻两端的电压，只需要读电阻Rs上端电压，因此只需要普通的放大器用同向放大电路就可以完成。Vout=I*Rs*R2/R4，单片机读取Vout电压即可反算出通过负载的电流大小。

图2 低侧采样

2. 电流采样电阻（分流电阻）

采样电阻阻值从毫欧级到欧姆级都有，需要根据所采集电流大小和运算放大器放大倍数来选择，尽量在单片机电压允许范围内选择更大的阻值，因为越小的电阻受PCB布局或者外来信号干扰的可能性越大。

举例：单片机读取电压范围为0~3V，我们采集的电流为1A，我们有以下选择方案：

如表格所示，3Ω、300mΩ、30mΩ电阻均可满足要求，但是选哪个更好呢？我们看功率栏，3Ω电阻在1A电流下消耗功率高达3W，一般的2512封装的电阻只有1W，而更大封装的电阻虽然能满足要求，但体积巨大，因此3Ω显然不适合，相比来说0.3W功率的300mΩ的更合适。

那30mΩ的为何不选呢？电阻过小，电阻两端焊盘的焊锡量都会影响最终的采集精度，因此在满足封装及热设计（参考：IC与器件的热设计，其他平台请移步公众号阅读）的情况下尽量选择更高阻值的电流采样电阻。此外，选择更小的阻值意味着需要更大放大倍数的运算放大器，而运算放大器存在输入失调电压，放大倍数过大会将此失调电压也放大，影响最终结果，(参考：运放-4. 输入失调电压，其他平台请移步公众号阅读）。

3. 两种方式的优缺点

两种方式主要不同是共模输入电压不同（参考：运放-2. 基础知识，其他平台请移步公众号阅读），高侧方式共模输入电压接近电源电压，因此其非常高，假设负载供电是12V，而运算放大器是3.3V供电，那就需要专门的共模输入电压高于12V的电流感应放大器。而低侧方案其共模输入电压接近GND，所以其共模输入电压较低，选择普通运放即可。

但是低侧方案也有自己的缺点，它可能导致接地环路问题，如下图3所示，被监测负载的负端在GND的基础上叠加了Rs的压降，而其他负载的负端接GND，两者不共地，同时，当被监测负载在PCB上直接与GND短路时，电流不经过通路1和2而是直接通过电流通路3，此时系统监测不到负载短路情况。而高侧方式不存在这种问题，因此需要权衡后选择方案。

图3 低侧采样电流路径

二、电阻式电流采样电路设计

1. 稳定的电流采样电路设计

图4 高侧采样

图1所示的高侧采样方案是基本电路（点击阅读：电阻式电流采样不准？（上篇）其他平台请移步公众号阅读），以此电路为基准，实际要保证采样精准，还要添加其他的器件，下图2是扩展后的电路，加入了两个电阻和三颗电容，两个接地电容C1和C2是将两根线路的共模干扰滤除，两个电阻R1和R2以及中间电容CF构成滤波器进行滤波，而由于R1与R2流过电流会造成误差，因此这两颗电阻尽量小于10Ω。