运放-电阻式电流采样-高压侧和低压侧电流采样方案

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运放-电阻式电流采样-高压侧和低压侧电流采样方案

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CSDN

https://blog.csdn.net/qq_21794157/article/details/136358327

电阻式电流采样是电子工程中常用的一种电流检测方法，广泛应用于电源管理、电机控制等领域。本文将详细介绍高压侧和低压侧两种电阻式电流采样方案，并探讨其电路设计和PCB布线的最佳实践。

电阻式电流采样方式介绍

基本电流采样方案

常见的电阻式电流采样方案如下图所示：

高侧采样（图1）：采样电阻Rs串联在电流通路中，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A倍后得到一个电压Vout，Vout=IRsA。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。
低侧采样（图2）：采样电阻Rs串联在电流通路中，但靠近电源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=IRsR2/R4，单片机读取Vout电压即可反算出通过负载的电流大小。

图1 高侧采样

图2 低侧采样

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）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。

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），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

总结：本文简单介绍电阻式采样的两种方式并从理论上分析了两者的优缺点。

电阻式电流采样电路设计

稳定的电流采样电路设计

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）），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。

图2 推荐稳定高侧电流采样电路