作者: DigiKey Editor
关键词：电流采样，检流电阻，霍尔电流传感器
在所有电路设计中，电流采样是一个非常重要且实用的基础电路，几乎出现在所有的电子系统中，像电池供电的电子产品中，电池充放电检测；直流无刷/有刷驱动的电流环控制；电子设备的短路过流保护，都需要电流采样。应用太多了，就不一一说了。
通用电路抄作业第二季，我们就来深度解析一下常用的几种直流电流采样方案（关键词：低边电流采样、高边电流采样、集成数字功率计以及霍尔电流传感器），这些全部是经过验证的，大家可以放心使用。
为了更加直观的感受这4种电流采样的差异，我们专门设计了一块Demo板，在这个Demo板上，就包含了4种直流采样电路。为了方便查看实验结果，Demo板上使用了一片STM32F103最小系统板，将采集到的电流值通过串口打印输出。此外，Demo板还有2个功能按键，可以切换采样电路。接下来我们就开始逐个介绍这些采样方案。
单片机ADC无法直接进行电流信号转换的，怎么办呢？
首先，需要将电流信号转换成电压信号，最常用就是检流电阻了。原理是根据负载电路中的电流最大值，在负载电路中串联一个精密电阻，当电路接通时，流过负载的电流和流过精密电阻的电流是相同的。精密电阻两端会有电压差，利用欧姆定律（I=U/R），用精密电阻两端的电压差除精密电阻的阻值，就可以得到电路中的电流值。
根据检流电阻所在的位置，还可以分为低边电流采样和高边电流采样，例如，检流电阻的一端接负载，一端接地，电流流经负载后，通过检流电阻返回的就是低边电流采样。而如果电流从电源正极流经检流电阻再进入负载，就是高边电流采样。
下面就先看低边电流采样，这是原理图。
检流电阻RS1阻值是25毫欧，假定负载电流为1A，在RS1两端的电压差就是25毫伏，将采集到的电压送入同相比例放大器OPA2365。根据电路参数，得到放大倍数为21，RS1两端的电压乘以放大倍数就是1A电流所对应的电压值，通过计算得出，负载电路中电流增加1A，对应输出增加0.525V。把放大后的电压信号送入电压跟随器，电压跟随器通过高输入阻抗和低输出阻抗特性，实现信号的缓冲，最后送到单片机的ADC输入，通过转换就能得到实际电流值。
下面就接通电路，通过按键设定为低边电流检测，同时打开串口助手，在电源端和负载端分别接入直流电源和电子负载，直流电源电压设定为12V，电子负载电流设定为1A。接通后，观测到实际的电流为1.01A，增加负载电流，打印输出的电流也在变化，单片机输出的值和电路实际值存在一定误差，这是因为元件误差和ADC基准等误差引入后的结果，在实际的应用中，我们需要根据电路性能，选择更高精度的元件和电压基准源来提高测量精度。
接下来看高边电流检测，这就是原理图：
检流电阻RS2阻值也是25毫欧，这里使用了一片电流检测放大器AD8418，它是一款高压、高分辨率电流检测放大器。设定初始增益为20 V/V，在整个温度范围内的最大增益误差为±0.15%，缓冲输出电压可以直接与任何典型转换器连接。对于高边电流检测，还需要考虑共模电压范围，AD8418共模电压范围在−2 V至+70 V，具有出色的输入共模抑制性能，它能够在采样电阻上进行双向或单向电流的测量，适合各种汽车和工业应用，包括电机控制、电池管理和电磁阀控制等。
假定负载电流为1A，在RS2两端的电压差就是25毫伏，AD8418为增益为20 V/V，通过计算得出，负载电路中电流增加1A，对应输出增加0.5V。再将放大后的电压信号送入电压跟随器，最后再将信号送到单片机的ADC输入，通过计算就得到实际电流值了。
下面是在测试板上的实际表现，实际的电流值随着负载电流在正确的变化。
都是使用检流电阻，低边和高边的区别有哪些呢？从两个电路图上，可以看到高边额外增加了高共模运放，相比低边，成本高，电路也复杂了。
从性能上来看，低边检测会引入地电平干扰，在大电流时非常显著，它也无法检测负载对地短路，而高边电流检测可以判断负载短路故障，也不需要考虑地电平干扰，安全性高。
因此，低边适合在低成本和消费电子，高边电流检测适用于高安全性、高可靠性的场景，比如汽车、工业设备，需实时检测短路或异常电流的场合。
这两个电路都需要自己设计信号电路，有没有更方便的电流采样呢？有，可以用集成数字功率计。在这个Demo板上使用了一片INA229，Ti的一款高精度、低功耗集成数字功率监测芯片，（关键词支持20位分辨率的电流、电压及功率检测，共模电压支持范围在-0.3V 至 +85V，可覆盖高压电池组或工业电源的检测需求，内置SPI 数字接口，可直接输出电流、电压、功率、能量及电荷的实时数据），可以简化系统设计复杂度。
这就是IN229的原理图，外围电路除了一个采样电阻和几颗电容，没有其他元件，在使用时，只需要配置好采样电阻，然后，通过SPI接口就可以直接读取电流、母线电压、功率等参数，非常方便。
这个电路的检流电阻阻值为10毫欧，假定负载电流为1A，在RS3两端的电压差就是10毫伏，这个信号给到INA229，IN229就会根据配置，计算出结果，给到单片机。
同样接通电路，通过按键设定为集成数字功率计，在电源端和负载端分别接入直流电源和电子负载，直流电源电压设定为12V，电子负载电流设定为1A，观测到实际的电流为1.01A，电压为12.1V，功率为12.5W，增加负载电流，打印输出的电流和功率也在变化，测量结果还是很精准的。
以上3种电流采样都是使用的检流电阻，除了检流电阻之外，还可以利用霍尔电流传感器去采集电流。例如，我们电路中使用的就是ALLEGRO公司的ACS758LCB-050B，一款集成式霍尔电流传感器，专为±50A 双向直流/交流电流检测设计。典型精度为±1%，适用于对稳定性要求高的工业与汽车场景，内部铜导体的电阻仅0.1mΩ，降低功率损耗和发热，高达 4800Vrms 绝缘耐压，确保高压环境下的安全性。
这就是ACS758LCB-050B的原理图，在0电流时，它的输出为1/2VCC，我们电源电压为3.3V，它在0电流的时候理论输出为1.65V，当电流正向流动时，它的输出向着VCC靠近，当电流反向流动时，它的输出向着0V靠近。
上电看看效果如何，打印输出的电流随着负载电流变化而变化，由于它的满量程是非常大的，在小电流时误差较大，真正使用时，得要根据电路实际电流选择量程合适的霍尔电流计。
以上，我们通过原理讲解、实验证明，介绍了四种常用的直流电流的采样电路，它们的适用场景也做有详细的说明，大家可以根据自己的项目需求选择合适的采样电路。好了，本期通用电路抄作业，就到这里了，我们下期见。
小编的话：
掌握直流电流的采样方法对电路设计具有重要价值，不仅可以提升电路设计的精度和可靠性，还能优化成本、增强安全性，简化系统设计复杂度，并满足多样化的应用场景需求。这是每一位电路设计工程师必须掌握的核心技能之一。本期内容，是否有帮助到您进一步了解直流电流的采样方法？您对此有哪些经验或者疑问？欢迎留言，分享交流！
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