編者按：此系列文章包括兩部分，第 1 部分討論了電流檢測電阻器的細微差別。第 2 部分（本文）討論放大器的設計和使用，以將它們之間產生的電壓提升到可用水平。

電流檢測電阻器，也稱為分流器，是測量電流的首選技術。為了不對電流產生不利影響，分流器的電阻值較小，在兩端產生成比例的小電壓。因此，設計人員必須利用放大此小電壓的電路，通過模數轉換器 (ADC) 進行上游轉換。

分流電阻器兩端的小電壓通常必須從數十或數百毫伏增加到零點幾伏。此任務通常由運算放大器或電流檢測放大器來執行。電流檢測放大器是一種專用運算放大器，集成了激光微調的精密電阻網絡，用以設置增益。通常，放大器電壓增益大約為 20 到 60 級，有時甚至更大。

電流檢測放大器在同一封裝中可能包含或不包含分流電阻器。對于高功率應用，優選外部分流電阻器，因為功率耗散會產生熱量。

用于監控電流的最常見信號鏈配置包括分流電阻器、模擬前端 (AFE)、模數轉換器和系統控制器（圖 1）。AFE（例如運算放大器或專用電流檢測放大器）將分流電阻器兩端產生的小差分電壓轉換為 ADC 可用的電壓。

圖 1：測量電流的最簡單方法是使用分流電阻器（最左側），電阻器上產生的電壓與流經它的電流成正例。為了使用完整的 ADC 測量范圍，模擬前端 (AFE) 會放大分流電阻器兩端的低電壓。（圖片來源：Texas Instruments）

將分流電阻器連接到電路中用于低壓側和高壓側電流測量有兩種基本方法。兩種方法各有不同的優勢和劣勢。

低壓側電流測量

低壓側電流測量將分流電阻器放置在有源負載和接地之間。用于低壓側電流測量的最合適電路如圖 2 所示。該電路使用 Texas Instruments INA181 電流檢測放大器，但許多其他放大器也可用于低壓側測量。

圖 2：使用 Texas Instruments INA181 的低壓側電流測量電路將電流檢測電阻器放置在有源負載和接地之間。（圖片來源：Texas Instruments）

低壓側電流測量很容易實現，因為分流電阻器兩端的檢測電壓以接地為參考。此配置允許電流檢測放大器為低壓部分，因為被檢測的電壓為僅高于接地參考的毫伏量級。在此配置中，檢測電壓不會在更高的電壓上工作，因此不需要共模抑制。低壓側測量法是最簡單、實現成本最低的方法。

低壓側電流測量的缺點在于，由于分流電阻器的放置，負載不再以接地為參考，導致負載的低壓側高于接地電壓幾毫伏。

如果負載和接地之間存在短路，則無接地參考可能成為一個問題。例如，如果金屬封閉負載（例如電動機）的接地參考外殼存在繞組短路，則會發生此類短路。電流檢測電阻器可能無法檢測到此類短路。

此外，放大器的共模輸入電壓必須包括接地以進行低壓側測量。對于采用正負電源供電的放大器來說，這通常不是問題，但對于采用單電源供電的放大器來說，這可能是一個問題。因此，當選擇合適的放大器進行低壓側測量時，包含接地的共模電壓范圍就成為一項重要的標準。

進行低壓側電流測量還有一個重要方面。請注意，圖 2 中的 Texas Instruments ADS114 ADC 直接接地，該 ADC 的低壓側輸入節點靠近 INA181 電流檢測放大器的輸入接地參考連接。

對于使用低阻分流電阻器上產生的小電壓（通過的是高負載電流）進行的電流檢測，務必記住所有接地可能不并處于相同的電勢。當地面網絡或接地平面承載與許多電源應用關聯的高電流時，系統中的一個接地點和另一個接地點之間很容易發生毫伏級別的電勢差。作為預防措施，必須將相關接地參考接線保持在彼此非常接近的位置，以最大限度地減小接地參考之間的電壓差。

要消除此誤差源，ADC 的接地參考引腳必須靠近電流檢測電阻器的低壓側和電流檢測放大器的低壓側輸入端。連接點是接地平面的重要部分，絕不能圖方便。為確保無誤，直接在原理圖上記下此要求，并顯示接地參考的星形連接，以確保真正強調了這一點。

同樣，當電流檢測電阻器兩端的電壓很小時，電流檢測放大器的輸入補償電壓會不成比例地影響放大精度。因此，最好選擇輸入補償電壓非常低的放大器。以上圖 2 所示的 INA181 放大器的輸入補償電壓為 ±150 微伏，適用于無共模電壓的低壓側測量配置。

盡管有幾個缺點，但如果負載不需要參考接地，并且負載和接地之間的內部短路不是問題，也不需要通過電流測量電路進行檢測，那么低壓側電流測量配置就是一個很好的選擇。

但是，對于必須滿足功能安全要求的設計，高壓側電流測量技術更適合。

高壓側電流測量

高壓側電流測量將分流電阻器插入電源和有源負載之間，如圖 3 所示，使用 Texas Instruments INA240 電流檢測放大器作為 AFE。該器件的共模輸入電壓可以遠超其供電電壓，使其成為高壓側電流測量的理想選擇。

圖 3：高壓側電流測量電路將電流檢測電阻器放置在電源和有源負載之間。（圖片來源：Texas Instruments）

與低壓側測量相比，高壓側電流測量具有兩個關鍵優勢。首先，很容易檢測負載內部對接地產生的短路，因為產生的短路電流將流過分流電阻器，在其兩端產生電壓。其次，這種測量技術不參考接地，因此流過接地平面的高電流產生的差分接地電壓不會影響測量。但是，將 ADC 的接地參考連接小心地放置在放大器接地附近仍然是一種好的做法。

高壓側電流測量技術有一個主要缺點。如上所述，它要求電流檢測放大器具有高共模抑制，因為在分流器兩端產生的小電壓恰好低于負載供電電壓。根據系統設計，該共模電壓可能非常大。圖 3 中的 INA240 電流檢測放大器具有 -4 至 80 伏的寬共模范圍。

是否集成增益電阻器？

圖 2 和圖 3 顯示了低壓側和高壓側電流測量配置，均采用帶集成增益設定電阻器的電流檢測放大器。這些集成電阻器具有許多設計優勢，包括簡化設計、減少電路板元器件和激光微調增益精度。使用此類放大器的一大缺陷是增益在出廠時就已永久性設定。如果增益設定適合既定應用，這就不是問題。但是，如果為了滿足其他標準而選定分流電阻器的阻值，導致應用需要獨特的增益，則運算放大器與分立電阻器相結合是更好的選擇。

圖 4 顯示了一個用于高壓側電流測量的電流檢測放大器電路，它基于 Microchip Technology MCP6H01 運算放大器和分立式增益設定電阻器。

圖 4：采用分立電阻器和運算放大器的高壓側電流測量配置。（圖片來源：Microchip Technology）

在該電路中，按 R₂ 除以 R₁ 的比率設定放大器增益。另請注意，R₁* = R₁，R₂* = R₂，并且分流電阻器 R_SEN 應該比 R₁ 或 R₂ 都小得多。這通常不是問題，因為對于電流非常高的應用來說，分流電阻器的值通常為毫歐量級甚至不到一毫歐。

圖 4 中的公式清楚地表明，與采用具有內部增益設置電阻器的電流檢測放大器相比，采用運算放大器和分立電阻器需要的元器件規格更高。

總結

電流檢測放大器將分流電阻器兩端產生的低電壓轉換為更適合 ADC 進行轉換的較大電壓。有兩種適合的電流檢測類型：低壓側和高壓側。低壓側測量將電流檢測電阻器插入負載和接地之間，而高壓側測量則將電流檢測電阻器插入電源和負載之間。低壓側和高壓側測量配置都有不同的優點和缺點，因此選擇時需要考慮特定應用。

在測量電流時，可以使用專用電流檢測放大器（在出廠時使用集成激光微調電阻器設置增益）或適合的運算放大器和分立電阻器。第一種選擇減少了電路板元器件的數量并簡化了 AFE 的設計。但是，如果 AFE 設計需要自定義增益以適應特定的分流電阻器阻值和 ADC 輸入電壓范圍，則第二種選擇更合適。