芯伯乐产品在电流检测中的应用方案指南

电流检测是电子电路进行感知及保护的核心，通过对回路电流的实时采集、精准转换与信号分析，为系统安全防护、闭环控制等提供关键数据支撑。其广泛应用于电机驱动、工业测控等领域，是保障设备可靠运行的关键。市面上主流的检测方式有两类：一类是以欧姆定律为原理的电阻检测法，一种是以霍尔效应为原理的霍尔隔离检测法。

电阻检测法：

l 低侧电流检测

检测电阻置于负载与地之间，放大器测量低侧采集电阻两端压降。

l 高侧电流检测

检测电阻置于电源与负载之间，放大器测量高侧采集电阻上的压降。

隔离检测法：

l 霍尔电流检测：

采用XBL GT712霍尔效应传感器或电流互感器，实现电气隔离测量，适用于高压系统。

一、电流检测放大器的基本原理

电流检测放大器是一种专门用于测量电流的差分放大器，其核心功能是将流经检测电阻（分流器）的小电压信号放大至适合ADC采样的电平。其基本工作原理遵循欧姆定律：通过测量已知阻值检测电阻两端的压降，计算得到电流值。

关键性能参数包括：

· 共模电压范围

· 输入偏置电流

· 增益误差和漂移

· 带宽与响应时间

· CMRR（共模抑制比）

INA180/181电流检测放大器集成了精密匹配电阻网络，提供固定增益（如20V/V、50V/V、100V/V等），显著降低温度漂移和增益误差。

二、低侧电流采样方案

1. 采集原理及实现方案

低侧检测将采样电阻串联在负载与地之间，使用电流感应放大器或运算放大器放大电阻两端压降。

l 基于INA180/181的设计方案：

原理图：

负载电流I_load=Vout/ (Rcs ×增益倍数)

l 基于LMV321（运算放大器）的设计方案：

原理图：

典型电路配置为差分放大器结构：

Vout = (1 + Rf/Rg) × ( I_load × Rcs)

2. 优缺点分析

· 优点：

电路简单，成本低廉

对运放共模输入范围要求低

可直接使用单电源供电的通用运放

接地参考，测量系统简单

· 缺点：

破坏系统地完整性，负载端不直接接地

无法检测对地短路故障

采样电阻压降会降低负载有效电压

大电流时地线扰动影响测量精度

3. 适用场景

· 成本敏感的低压应用

· 电流较小的便携设备

· 不需要检测对地短路的场合

三、高侧电流采样方案

1. 采集原理及实现方案

高侧检测将采样电阻置于电源与负载之间，直接测量电源轨上的电流。

基于INA180/INA181的设计方案：

典型应用电路：

采集电流I_load=Vout/ (Rcs ×增益倍数)

INA180/INA181关键特性：

· 宽共模电压范围：-0.2V至+30V

· 固定增益版本：20V/V、50V/V、100V/V、200V/V

· 低输入偏置电流：-6uA

· 高CMRR：100dB

· 工作温度范围：-40℃至+125℃

2. 优缺点分析

优点：

· 保持系统的完整性

· 可检测对地短路故障

· 适合大电流、高精度测量

· 集成方案精度高、温漂小

缺点：

· 需要高共模抑制比放大器

· 成本相对较高

· 对放大器共模输入范围要求高

3. 适用场景

· 需要监测对地短路的电源系统

· 大电流应用

· 对测量精度要求高的场合

· 多电源系统，需要保持公共接地完整性

四、器件选型推荐

1. 低侧检测器件

· 通用型：XBLW LM321、XBLW LM358

o 低成本，单/双通道

o 适合精度要求不高的消费类产品

· 精密型：XBLW LMV321、XBLW INA180、XBLW INA181

o 低失调电压，低漂移

o 适合需要较高精度的便携设备

2. 高侧检测器件

· 通用高压：XBLW INA180、XBLW INA181

o 共模电压最高30V，多种增益可选

o 适合12V/24V工业及汽车系统

3. 选型决策矩阵

五、总结与设计建议

1. 确定关键需求：

o 测量范围与精度要求

o 系统电压与共模电压

o 故障检测需求

o 成本限制与尺寸约束

2. 选择检测位置：

o 若系统对地完整性敏感或需短路检测→选择高侧检测

o 若成本敏感、低压小电流→考虑低侧检测

o 若高压隔离需求→考虑隔离方案

3. 器件选型要点：

o 根据最大共模电压选择放大器

o 根据电流范围和ADC分辨率计算采样电阻

o 考虑温漂对长期精度的影响

o 评估带宽需求与抗扰度要求

4. 布局布线建议：

o 采样电阻使用开尔文连接

o 放大器尽可能靠近采样电阻

o 敏感模拟信号远离功率走线

o 适当添加滤波与保护电路

现代电流检测放大器如INA180/181系列集成方案，极大简化了设计难度，提高了系统可靠性。对于大多数工业与汽车应用，高侧检测已成为首选方案。芯伯乐的INA180/181系列即是针对客户对于高侧电流检测及保护而开发，相较于其他方案提供更便捷更精准的电流检测方案。