Low-Side vs High-Side резистивное чутвение тока: практические дизайн-выборы

В чем разница между high-side и low-side резистивным чутвением тока? Эта статья объясняет основы, а также когда каждый является более подходящим дизайн-выбором.

Многие приложения, такие как power management, зарядка батарей, motor control и overcurrent защита, могут выиграть от резистивного чутвения тока. Есть две опции для размещения шунтирующего резистора в серии с нагрузкой: low-side и high-side чутвение тока.

В этой статье мы посмотрим на эти две компоновки и обсудим их базовые преимущества и недостатки. 

 

Резистивное чутвение тока

Резистивное чутвение тока широко используется на печатных платах при работе с низкими и умеренными уровнями тока. С этой техникой известный резистор R_shunt размещается в серии с нагрузкой, и напряжение, развитое через резистор, измеряется для определения тока нагрузки. Это иллюстрировано в Рисунке 1.

 

Рисунок 1

 

Шунтирующие резисторы, также называемые шунтами, обычно имеют значения в диапазоне миллиом. Для очень высокотоковых приложений значение шунта может быть даже долями миллиома для снижения рассеиваемой резистором мощности.

Обратите внимание, что даже с малыми значениями резистора, рассеиваемая шунтом мощность может быть проблемой, особенно для высокотоковых приложений. Например, с R=1 mΩ и I=100 A, мощность, рассеиваемая шунтом:

 

\[P = R \times I^2 = 0.001 \times 100^2 = 10 W\]

 

Малое значение резистора также приводит к малому падению напряжения через резистор. Поэтому нужен усилитель, чтобы конвертировать малое напряжение, развитое через шунт, в достаточно большое напряжение для вышестоящих цепей.

Мы обсудим, что в high-side чутвении тока усилитель может иметь строгие требования к спецификации common-mode rejection ratio (CMRR).

 

Low-Side и High-Side чутвение

Есть две опции для размещения шунт-резистора в серии с нагрузкой. Эти две компоновки называются low-side и high-side методами чутвения тока и изображены в Рисунке 2. 

 

Рисунок 2. (а) Low-side чутвение тока и (б) high-side чутвение тока техник.

 

В low-side конфигурации шунт-резистор (R_shunt) размещается между ground терминалом блока питания и ground терминалом нагрузки. С high-side методом шунт-резистор размещается между положительным терминалом блока питания и входом питания нагрузки.

Давайте посмотрим, какие преимущества и недостатки у каждого метода.

 

High-Side против Low-Side чутвения: Common-Mode значение

Предположим, что R_shunt=1 mΩ и I=100 A. Даже с этим большим током, падение напряжения через шунт-резистор всего 100 mV. Поэтому common-mode значение напряжения через low-side шунт-резистор лишь немного выше потенциала ground. А для high-side конфигурации common-mode уровень напряжения через шунт-резистор очень близок к напряжению питания нагрузки.

Поскольку усилитель, используемый в low-side чутвении тока, имеет дело с малым common-mode напряжением, ему не нужно иметь высокий common-mode rejection ratio (CMRR). Common mode rejection ratio специфицирует, сколько аттенюации усилитель экспонирует для сигнала, общего для обоих входов усилителя. Поскольку common-mode значение почти нулевое для low-side конфигурации, требование к CMRR усилителя значительно ослаблено, и следовательно, простые конфигурации усилителей могут быть использованы.

Рисунок 3 показывает базовый усилитель, который может быть использован в low-side чутвении тока. 

Рисунок 3

 

В этом примере усилитель состоит из op-amp и двух gain-setting резисторов R1 и R2. Обратите внимание, что это на самом деле non-inverting конфигурация op-amp. Более знакомая схема этого усилителя показана ниже:

 

Рисунок 4

 

Выход, который является усиленной версией V_shunt, может быть найден следующим уравнением:

 

\[V_{out} = \left(1 + \frac{R_2}{R_1}\right) V_{in} = \left(1 + \frac{R_2}{R_1}\right) V_{shunt}\]

 

С другой стороны, усилитель, используемый в high-side чутвении тока, должен иметь дело с большим common-mode напряжением. Усилитель должен иметь высокий CMRR, чтобы предотвратить появление большого common-mode входа на выходе. Именно поэтому специализированные конфигурации усилителей нужны для high-side чутвения тока. Эти усилители должны экспонировать высокий CMRR и поддерживать input common-mode range до напряжения питания нагрузки.

Стоит упомянуть, что есть много high-side чутвения тока приложений, таких как 3-фазные motor control приложения, где напряжение питания нагрузки намного больше напряжения питания, используемого для усилителя. Следовательно, в high-side конфигурации чутвения, input common-mode усилителя обычно должен быть намного больше его напряжения питания — требование, делающее дизайн усилителя очень сложным. 

 

Low-Side метод может вызывать ground loop проблемы

Хотя low-side метод чутвения упрощает дизайн усилителя, у него есть несколько недостатков. Low-side измерение тока помещает дополнительный резистор в ground путь. Следовательно, ground мониторимого контура находится на потенциале немного выше системного ground. Это может стать проблемой для некоторых аналоговых цепей.

Поскольку ground мониторимого контура не на том же потенциале, что и другие нагрузки в системе, могут быть ground loop проблемы, ведущие к слышимому шуму, такому как гул, или даже интерференции с близким оборудованием. Из-за этого ограничения, low-side чутвение тока обычно используется в приложениях, где мы имеем дело с одной изолированной нагрузкой или нагрузка не чувствительна к ground шуму. Cost-sensitive motor control в приложениях вроде дронов, дрелей и рециркулирующих пил обычно используют low-side чутвение для способности конкурировать в потребительском маркетспейсе. 

 

Low-Side метод не может детектировать fault detection

Есть различные fault условия, которые low-side чутвение тока не может детектировать. Рисунок 5 показывает пример, где короткое замыкание происходит между блоком питания мониторимого контура и системным ground. 

 

Рисунок 5

 

Fault ток, I_short, течет от bus напряжения прямо к системному ground и не проходит через шунт-резистор. Следовательно, цепь мониторинга тока не детектирует это fault условие. Low-side чутвение тока также не может детектировать короткое замыкание между ground мониторимого контура и системным ground (Рисунок 6).

 

Рисунок 6

 

Однако high-side чутвение тока может детектировать fault условия, происходящие downstream от шунт-резистора. Это показано в Рисунке 7.

 

Рисунок 7

 

В этом случае fault ток проходит через шунт-резистор. Следовательно, цепь измерения тока может детектировать короткое замыкание и триггерить соответствующие корректирующие действия. 

 

High-Side чутвение тока может упростить проводку

Еще один недостаток low-side чутвения тока — что два провода нужны для питания мониторимого контура даже если системный ground доступен. Например, в авто приложениях, кузов машины служит общим ground. С кузовом на системном ground уровне, нам нужен только один провод для питания нагрузки. Однако, если ток через нагрузку мониторится low-side техникой измерения, системный ground не может быть использован и два провода требуются для нагрузки. Поскольку high-side техника чутвения использует системный ground для мониторимой нагрузки, она не страдает от этого ограничения. Поэтому high-side чутвение лучше подходит для авто приложений. 

В следующей статье мы рассмотрим схему в Рисунке 3 более детально. Мы увидим, что эта структура также восприимчива к PCB trace резистансу и более точное измерение может быть сделано через difference amplifier. 

 

Заключение

Главное преимущество low-side чутвения — что относительно простые конфигурации могут быть использованы для усиления напряжения через шунт-резистор. Однако low-side чутвение тока восприимчиво к ground disturbance и не может детектировать fault условия. Low-side чутвение тока обычно используется в cost-sensitive motor control приложениях, которые должны уметь конкурировать в потребительском маркетспейсе.

Чтобы увидеть полный список моих статей, пожалуйста, посетите эту страницу.