电流检测电路在实际应用中越来越多,大家可能经常在一些高端ARM、FPGA等开发板中都会见到,本文就针对电流检测的原理及实现方式进行简单的介绍。
测量电流的方法一般分成直接式和非直接式两种。直接式一般通过电阻进行,根据欧姆定律电流的大小和电压成正比,因此可以通过测量一个采样电阻两端的电压差得到所流经电流的大小。非直接式测量一般通过监控电流产生的磁场得到,由于电流周围本身会产生磁场,电流的大小和磁场成正比,因此可以通过测量磁场的大小得到流经电流的大小。直接式用于测量相对较小的电流以及电压不高的情况,非直接式不带有任何导电关系,因此可用于测量相对较大的电流以及相对较高的电压。
1、非直接式电流测量
非直接式电流测量比较常用的是霍尔传感器,通过霍尔现象测出电流的大小,输出为模拟输出;另外一种技术是利用VAC传感器,它是德国Vacuumschmelze公司开发的新型电流传感器(TI与VAC合作有一款专门的配套传感器芯片DRV401),与霍尔传感器不同之处是VAC传感器的输出电流通过DRV401和积分滤波器产生一定的电流源作为反馈达到磁平衡,利用闭环控制保证整个铁氧体不受饱和影响,从而保证输出的精度能够提高。

2、直接式电流测量
直接式电流测量使用采样电阻作为电流传感器,对采样电阻有较高精度与温漂特性的要求。绝对值改变可以通过后面的校准实现,但是温度漂移却不可预测,因此温度补偿相对比较困难。对于电流传感器而言,温漂特性是最主要的。
由于通过电阻之后输出为电压信号,该信号往往比较小,需用放大器放大。因此配套电路必须选择本身误差幅度小于传感器的误差幅度。
直接式电流测量分为高边、低边电流测量两种方法。高边检测是在电源(或电池)和负载之间放一个采样电阻;低边检测是在地回路上串联一个采样电阻。
低边检测与高边检测相比有两个缺点:第一,如果负载发生意外短路,低边电流检测放大器将被旁路,不能检测短路状态;第二,由于在地回路中引入了所不期望的阻抗,从而把地平面分割开。
高边电流检测也有一个缺点:电流检测放大器必需支持高共模电压输入,幅度取决于具体的电压源。高边检测主要用于电流检测放大器,而低边检测可采用简单的运算放大器,只要这个放大器能够处理以地为参考的共模输入即可。

2.1、分流电阻(shunt resistor)
分流电阻一般为较小阻值的电阻。多数均为4触点。分流电阻本身阻值很小,焊料电阻不容忽视,它们不确定,且随温度变化,会影响测量输出。4触点感应电阻的宽焊点是用于流过被测电流的,而窄焊点用于将感应电阻两端的压降提供给放大器。图中A点是电流流入点,AB之间是焊料,BC之间是铜片电阻,很小。实际有效的感应电阻位于CD之间。注意所有的C点电位都相同,因为后级的检测放大器输入阻抗很高,感应电阻上不会产生横向的电流。这样,检测放大器获得的就只是C、D之间的电位差,不包含焊料部分。
需要特别注意的是,多数感应电阻都有0.5~5nH的内部串联等效电感,当被测电流频率很高时,不可忽视电感带来的误差。1nH在1MHz时会存在6.28mΩ的感抗,与多数1~100mΩ的感应电阻相比,已是不能忽略的。


2.2、Kelvin Connection



Connection from RS should be made using Kelvin techniques. the small pads at the lower corners of the sense resistor connectonly to the sense resistor terminals and not to the traces carrying the high current. With this technique, only the voltage across the sense resistor is applied to VIN and SENSE, eliminating the voltage drop across the high curren tsolder connections.
电流采样的走线与采样电阻的两端相连,保证采样得到的电压是被采样电流在采样电阻上形成的压降,避免被采样电流在PCB走线上的压降导致的误差。另外,两根电流采样线最好平行走(一般设置成差分线),长度保持一样。