电池供电设备电流监控的三个要点——你真的做对了吗？ 电气工程, 放大器, 可靠性, 主题, 电池

目前，电流检测的阻值非常低，其主要用于测量流经其山的电流。通过该电阻的电流主要是通过电阻两端的电压反映出来，所以通过应用公式I=V/R该公式是由某著名学校的老师乔治-西蒙-欧姆提出的：即电阻上的电流与电压成正比。

上面简单的介绍就当作抛砖引玉了，本文的主题——电阻选择、高边或低边监测以及检测放大器的选择——都是以这个电气工程基本公式为基础的。

电流检测监控有助于提高一些系统的效率，减少损失。例如，许多手机实现了电流检测监控，提高电池寿命，同时提高可靠性。如果电流消耗太大，手机可以做出决定，降低CPU频率来减少电池负载以此延长电池寿命，同时防止手机过热来增加稳定性。甚至有手机应用程序可以访问电流检测并且对优化手机的性能做出决策。除了电流检测监控使用了一个电阻，另外两个不太常用的方法也使用了电阻。其一是使用霍尔效应传感器来测量产生通量场的电流。虽然这是非侵入性的，并且具有非插入损耗的优点。它相对来说有点贵，并且要求一个相对大的PCB基板。另一种方法，使用变压器测量感应的交流电流，也属于面积和成本密集型；并且同时只对交流电流有用。

本文将介绍使用一个电阻进行电流检测监控的三个基本方面：

1、选择一个低阻值精度采样电阻。如果说基板是基于“位置，位置，位置”，然而选择一个电阻就是基于“精度，精度，精度”原则。

2、选择一个检测放大器芯片。当感应到在小于1欧姆电阻，电压很小的变化也会产生一个很大的结果。检测放大器将电压变化放大，使无意义的事情变的更有意义。

3、检测电阻的“位置，位置，位置”。这个若检测参考电源，称为高边检测，或者如果连接地，又叫作低边检测。

精密电流传感应用程序不再是自制食物电路；制造商已经做了所有的研究和现代设计的大部分工作。

电阻选择
选择电阻值，精度和物理尺寸都取决于预期的电流测量值。电阻值越大，测量可能就越精确，但大的电阻值也会导致更大的电流损失。对于低功率电池驱动的设备，必须减少损失，电阻大约一毫米的长度值并且带有成百上千欧姆的电阻经常被使用。对于一个或更多的放大器的更高电流，电阻可以使用更大的阻值，这将得到更准确的测量与可接受的损失。

尽管电阻器通常认为是一个简单的二端设备，为准确测量当前的四端电阻比如Vishay WSK系列，在每个电阻的末端都使用了二端。这为二端提供了应用电路的电流路径，和另一对感测放大器的电压检测路径。这四端设置，也称为开尔文传感，确保在每个连接尽可能最小的阻力，确保感测放大器的测量电压就是电阻两端的的实际电压并且包括小电阻的组合连接。这将使得更加容易相互连接并且减少电阻温度系数造成的影响（TCR）。TCR是一个电阻随着温度的升高而阻值增加的效果。电源接到检测电阻上通常都会使电阻加热并且可能连接到100°C或者远远高于该温度的环境温度下。尽管检测电阻设计成具有非常低的TCR，但是有线或PCB布线连接起来组合的TCR可能使阻值增加5%到10%.开尔文传感通过改进传感系统温度的稳定性大大降低了TCR的影响。

WSK0612带1.0%误差的电阻可以处理一瓦特的电量并且在小型的DC/DC转换器和一些电池充电器中比较常见。WSK2512系列误差为0.5%的电阻主要应用于笔记本电源和仪器应用。Vishay WSK2512可以处理一瓦特并且误差可以精确到0.5%并且电阻可以从0.025Ω小到如0.0005Ω的都有。


图：Vishay WSK0612电流检测电阻和尺寸。

另一个检测电阻的重要标准就是随着温度改变的稳定性在Vishay WSLS和WSLP系列也突显出来。这些都是长寿电阻并且在工作温度范围内其阻值波动幅度低至0.25%，并且通常用于开关电源和线性电源以及功率放大器中作为电流检测电阻。

在处理非常低阻值低电阻过程中有一个不寻常的问题可能会碰到，那就是热EMF.热EMF是一个非常小的电压，占1000分之一伏特，这是存在导体中的温度微小差异引起的。热EMF的常规使用是建立一个热电偶，其中微电压和温度成正比；但是热EMF在我们的电流检测电阻中是不允许出现的，并且可能会导致不准确的读数。Vishay WSL和WSR电阻系列提供了许多性能优势，包括被专门设计来减少热EMF.图2绘制了Vishay WSL供电金属条状电阻和其两个竞争对手之间的一个比较图。该态势图表明WSL系列有一个低至3μv /°C的热EMF而竞争对手却高达±25μV/°C.


图：Vishay 50毫欧WSL2512供电条状电阻和其竞争对手技术的热EMF特征进行比较。

在图2的其中两个电阻中都是金属条状技术，第三个是低阻值的厚膜电阻。所有的电阻都是50 mΩ标称电阻。正如上图展示的，如果不考虑热EMF就会导致不准确的读数。

某些应用程序有高功率的要求，使用半瓦或更多来强制通过电阻。Vishay WSLP2010 WSLP2512可以分别处理2.0和3.0瓦。WSHM2818具有7.0瓦高功率密度电流检测电阻，主要是为高压电流检测应用比如wattage DC/DC转换器，桌面PC电源，以及无刷直流电机控制。对于高温应用，1瓦特的Vishay WSLT和WSR系列可以承受温度高达275摄氏度。检测监控-高边或者低边？
电流分流器监控集成电路，同时也叫电流检测放大器，精确测量待测电阻两端的微小电压。防止检测放大器干扰被测电压，这些集成电路具有很高的输入阻抗。然而，在选择并联显示器之前，必须做出一个明智的决定，那就是是否要将电流检测电阻放置在负载的电源电压轨上（高边监控）。或者负载的地面点（低边监控），每一种都有其优点和缺点。


图：高边检测VS低边检测。

低边检测通常是最便宜和最简单的方式来实现，因为如果检测电阻的一端在地面系统，并且负载的另外一端在那些电流待测的负载的地面，然后电阻两端的电压相对系统地面可以通过一个简单的引用同一个系统的运放将其放大。然后该放大电压通过模数转换器（ADC）进行测量。

但是，低边检测的缺点与其自身的优点有关，那就是放置一个电阻在负载到地的路径。这种电阻放置导致负载的地面浮动电压略高于系统地面。这种安排的最常见的问题是潜在的接地回路问题。因为负载与系统中的其他负载不是在同一个参考地上。该系统可以开发一个可听噪音，如哼哼，甚至对附近的设备产生干扰，包括音频和视频的干扰。另外，低边检测不能够检测错误条件，比如在地面路径的一个短路或者开路，由于连接问题或外界干扰引起的。

由于这个原因，低边检测的意义在于处理大电流，一个孤立的负载，或其他情况下，系统不受地面路径影响。

高边检测是用于当一个并联电阻成列放置在系统电源和负载之间。这个配置对电流的变化更加敏感并且对系统地添加了免干扰功能。其主要缺点是由于分流电阻不是在系统地面上，差动电压必须被测量出来，因为它需要精确匹配合适的差分放大器。然而，它的缺点是消除了一个来自德州仪器的精密电流分流监控器。

电流分流监控器
选择电流分流监控器的几个因素：

共模范围：该规范定义了放大器对地的输入允许直流电压范围。电流分流监控器通常指定接受共模电压比芯片供电电压高。比如说。德州仪器的INA225电流分流监控器和TI的INA300电流检测比较器可以接受的DC电压是从0v到36V.他们两者都是非常灵活的，并且可以用于高边或者低边监控。INA225拥有I2C接口，允许一个微控制器去读被监控的电流根据被测的电压和功耗。TI的INA282拥有一个非常宽的共模-14 v + 80 v的范围以及一个只有1.5μV/°C低的偏置漂移。

偏置电压：这是在放大器输入端测量电压，假设正极和负极输入是基本一样的电压。理想情况下这个电压是零，但实际上它总是一个非零电压。小的偏移电压会导致巨大的错误，它可以增加芯片寿命和动态温度。德州仪器的INA230双向电流分流监控器拥有一个低至50μV的偏置电压当其温度范围是-40 + 125°C时。然而，对于最好的精度，这个TI的INA226在现在的市场上是一款最高精度的电流检测监控器，其偏置电压是只有10μV并且一个共模范围达到36V.他们两者都实现了一个I2C系列接口以方便大多数微控制器接口。

共模抑制比（CMRR）：这个规范是一个放大器检测和拒收信号的能力出现在两个差分输入。电路板上的放大器的物理位置可能会导致噪声耦合到输入上由于热噪声，高频信号，或者高电流，从而诱导磁电流耦合。德州仪器的大部分电流分流监控器有一个经典的共模抑制比高达140dB，包括INA226，INA210，和INA282.

由于电流分流监控器有太多的选择，目标电路究竟该使用哪一个？正如本文所讨论，选择是与系统有关的。电流分流电阻和监控器现在被用于这些以前并不需要进行电流监测，但是现在需要提高电池效率的应用。其中例子包括仪表，无线充电电源，平板电脑和手机、工业自动化、医疗设备供电，电池和太阳能系统。

总结
电流监控的需求越来越重要，尤其是对于电池驱动的设备。电流监测监控可以显著提高系统优势，越仔细的选择合适的组件就越可能延长电池寿命和许多电子系统的寿命。