電流測量和控制是任何功率敏感系統的組成部分。雖然我們大多數人都使用電流表來測量電流，但預算，空間和其他實際限制條件不太可能讓設計工程師將電流表指定為成品的一部分;更有可能的是，我們將在給定的設計中嵌入一些電流測量技術。

電流測量具有廣泛的用途。其中一些是：

確保接收過多電流不會損壞電源。

估算電機的轉速（電機的速度與施加電流的速度成正比）。

檢查LED是否具有正確的照明。

確定充電過程中對電池組施加的電流量（以防止電池過度充電或過熱）。

要測量從電池組施加到電路的電流量，可以估算電池壽命。

本文討論了在測量電流時可以使用的技術和設備。這里解決了微觀（納安）和宏觀（數百安培）需求，可以作為滿足您特定設計需求的起點。

簡單明了

測量電流的最簡單，最直接的方法是使用歐姆定律。如果已知值電阻與負載串聯，則其兩端的電壓將與電流成正比。這意味著高精度電阻應能產生高精度的電流測量。

這種方法的缺點是，與負載串聯的任何電阻都會限制到負載的電流，而且本身就是電壓降。更重要的是，它將消耗力量。這可能是也可能不是問題，具體取決于您的約束以及您如何設計測量階段。

低功耗和電池供電的設計不希望浪費任何能量，因此電阻值必須非常低。此外，空間通常是這些類型設計的約束，因此在這種情況下，緊湊且精確的基于電阻的測量技術是一個很好的簡單解決方案，特別是如果它可以在地面參考。

然后，電流傳感器是通過測量放置在電流路徑中的電阻器上的電壓降來監控電流的電子電路（當存在其他技術時，例如磁性，這里討論的所有內容僅限于分流電阻器電流測量）。電流傳感器輸出的電壓或電流與通過測量路徑的電流成正比。

由于電阻測量是串聯測量，因此傳感器設備可以到達電流流過的串聯環路中的任何位置。這意味著它們通常可以應用于電源的正極端子或負極端子（圖1）。

圖1：兩者可以使用高側和低側測量技術，但在使用以地為參考的高側測量時，請注意反向電流/電壓波形。

由于大多數設計人員底盤接地到負電源端子，因此不希望以與電流消耗相關的可變電壓電平升高底層。這對于大電壓擺幅可能是正確的，但如果電壓水平非常低則不成問題。

例如，低功耗嵌入式微控制器在睡眠模式下可以消耗10微安，并且可以吸收5毫安時在活動模式下。緊湊而精確的表面貼裝電阻，例如Panasonic ERJ-6BWFR010V（百分之一，0.25 W，0805封裝的0.01Ω電阻），在滿量程5 mA負載下僅將底層升高50μV。這遠遠低于任何會影響邏輯信號的電平。

需要將50μV滿量程電壓電平放大到A/D的滿量程范圍，以獲得最佳分辨率。此外，可能需要零偏移調整或軟件校準技術。

高端電流測量的好處是，從噪聲的角度來看，它通常更安靜。通常，高壓側，尤其是原始電池側，在施加到負載之前被調節和過濾。它沒有看到地線可以看到的累積時鐘和高頻噪聲。

另外，因為可以在穩壓器之前施加電流檢測，由于檢測電阻的存在會引起輕微的電壓變化不會轉換為系統中的任何電壓降。但是，由于高端檢測電阻的反向電流/電壓曲線，應使用反相差分放大器將檢測波形帶回到所產生的電壓與電流直接成正比的位置（圖2）。 p>

圖2：差分反相放大器設計可以將高端波形轉換為更熟悉的A/D轉換器電壓。

注意，如果在調節器之前使用高側傳感器，請確保測量點不高于運算放大器的電源電壓。此外，當產生電感反激尖峰時，使用緩沖器和保護電路，因為它們會損壞敏感運算放大器和儀表放大器輸入。

在穩壓器之前使用檢測電阻時，您需要使用電源計算，以準確確定在特定電壓下通過負載的電流。

例如，假設您通過串聯電阻連接到電壓調節器的12 V電池（圖3）。在5 V電平下，我們測得的負載在1到100 mA之間變化。

圖3：在穩壓器之前使用高端電流檢測時，根據功率計算調整電流讀數。

從12 V電源流向0~100 mA電源的電流實際為0至41.6毫安。以這種方式進行高側測量時，請計劃調整后的電流。此外，還有失去監管機構的因素。調節器的類型及其效率會影響性能。

檢測電阻可以很好地適用于低電流應用，但需要將測量電路電氣連接到電源和負載。有時候法規和客戶需要或要求電氣隔離。

可用于低電流測量并提供電流隔離的技術是使用像IL300這樣的線性光隔離器來自Vishay。該部件類似于具有線性電流傳遞曲線的數字光隔離器。通過使用隔離反饋檢測器和主檢測器，IL300將交流和直流信號與0.01％伺服線性度耦合（圖4）。

圖4：線性光隔離器可用于小電流或甚至大電流測量，并提供電流隔離。驅動電路來自非隔離側，但測量應用于隔離側。

由于它使用紅外光作為耦合介質，IL300可實現超過5,000 V的隔離。偏置電路將連接在非隔離側，但測量可以完全隔離。

類似的部件來自CP Clare及其光伏LOC111PTR光耦合器和Avago及其HCNR200器件。來自Vishay，Avago和Clare的其他線性光隔離器設備和系列可隨時從Digi-Key Corporation發貨。

更多當前

并非所有當前感應應用都是低功率。電流也是一個非常有用的工具，可以幫助我們設計故障檢測和故障保護電路。例如，電動機控制器可以使用電流傳感器來檢測故障，例如卡住的電動機。這可以保護電路不會試圖將過多的電流強制進入無法啟動的電機。也可以通過這種方式檢測運行過載。

電機有各種尺寸，例如，我們將使用中等大小的電機，可以吸收10到25 A.這里，電流傳感器可以使用電阻技術以及霍爾效應技術，它具有感應電路和測量電路之間電流隔離的優勢，可以增加另一層保護。

此范圍的典型電流傳感器可以是，例如，Allegro ACS711ELCTR-25AB-T（圖5）。這部分可以感應±25 A，這對于雙向電機應用非常有用，在這種應用中，電流可以以任何方式流動。該部件還使用內部霍爾效應，銅傳導路徑靠近傳感器。它提供固有的100 V隔離柵，可用于交流和直流傳感應用。

圖5：使用嵌入式霍爾效應靠近極低電阻電流路徑的傳感器提供固有隔離，同時提供包括溫度補償和故障檢測在內的集成功能。

您應該注意到1.2mΩ的極低電阻允許小尺寸SOIC 8 -pin封裝，通過25 A，所需功耗僅為0.75 W.放大器與感應元件的緊密接近有助于降低噪音（特別是集成靜電屏蔽）。還內置了過流故障檢測功能，該器件經過工廠調整，精度更高（±5％）。

設計用于3.3或5 V系統，55 mV/A的步進分辨率可輕松連接到大多數A/D和僅在有效時吸收4 mA電流。 Melexis MLX91206LDC-CAHB三軸傳感器具有更高精度的類似部件（以更多的功率消耗為代價）。

請記住，Melexis部件被指定為milliTesla范圍并具有輸出以毫伏/毫米為單位。但是，采用類似的SOIC 8引腳封裝，Melexis器件基于該公司稱之為Triaxis的技術，使用9 mA的5 V系統提供±0.75％的精度（圖6）。這在CMOS芯片上使用嵌入式磁電集中器，需要在工廠進行額外的步驟。與Allegro部件一樣，Triaxis傳感器集成了許多有用的功能，如可編程偏移，增益，鉗位電平和診斷。

圖6： Triaxis方法在芯片上使用沉積磁聚光器，有助于精確測量流過近程電流路徑的電流。

功耗

某些應用使用如此大的電流，即功率檢測電阻的耗散可能是一個關鍵問題。例如，考慮一個可再生能源電池充電器，需要測量來自太陽能或風能陣列的高達250 A的電流。

如果我們將使用帶A的微控制器測量電流/D在3.3 V下運行，我們可能希望設計我們的電路以產生0到2.56 V的電壓擺幅，對應于0到256 A電流測量。這使得軟件變得簡單，因為每毫伏讀數為1 A.10位A/D將產生0.25 A的分辨率。

如果我們使用像TE Connectivity 7-1625971-5這樣的0.01Ω電阻與充電電流串聯，我們應該會看到電阻上的電壓為0到2.56 V，對應于電流擺幅。 2.56 V輸出無需放大，是一個很好的值，可以饋入大多數A/D轉換器（如果是低側偏置）。

即使在0.01Ω，250 A，該電阻器的功耗為625 W，足以使其成為小型咖啡壺中的熱水加熱元件。該部分可用于測量較低的電流，例如高達50A，其中仍然會消耗25W的功率。這仍然是一個很大的功能。

這個應用的更好的方法可能是Vishay WSBS8518L1000JK，它只有0.0001Ω，可以處理高達36 W（圖7）。請注意，您只能看到0到25.6 mV的電壓擺幅，這意味著您需要一個運算放大器，儀表放大器或具有增益級的微控制器才能實現最高分辨率。另請注意，即使在0.0001Ω，滿載時仍然會耗散6.5 W。

圖7：非常小的0.0001Ω電阻允許分流處理功率高達36 W，容差為5％。

上述示例的公差部分為5％，公差的增加將提高精度。像Ohmite TGHGCR0010FE這樣的部件是一種理想的電流傳感器，可承受高達100 W的1％容差。厚膜技術的低溫系數僅為±60 ppm，設計具有無感特性。

請注意，TGHG系列設計用于適當的散熱。必須監控電阻器的最大底板溫度并將其保持在規定的限制范圍內，以確定額定功率。 Ohmite建議您將熱電偶連接到電阻器底板的側面。 Ohmite還在Digi-Key的網站上為其電流感應電阻器提供了一個培訓模塊。

其他問題和技術

你現在可能已經意識到即使是1/100的歐姆電阻在這些電流水平下，可以耗散大量功率并引入誤差電壓。提高精度的關鍵是在與電流環的其余部分接觸之前直接測量分流器或傳感器電阻兩端的電壓（圖8）。這可能看起來像冗余布線，但它可以保持準確性，因為傳感器上的電壓將被測量而沒有任何接觸損失，即使是非常小的電阻。

圖8：看似冗余，但電流檢測電阻上的直接連接線有助于確保精度，因為高電流路徑中由于接觸電阻引起的電壓降不會引入誤差電壓。

這意味著即使電流回路中的任何地方都存在電壓降，傳感器兩端的測量電壓仍可準確表示流過電路的真實電流。

總結

電流是重要的物理量，在工業，汽車或家庭領域的許多應用中都需要測量電流。如歐姆定律所述，當電流流過時，任何電阻都會出現電壓降。在電流檢測電阻中，校準電阻以電壓降的形式檢測流過它的電流，該電壓由控制電路檢測和監控。