【电赛公开课】模拟电路基础知识讲座_第24课时_电流检测

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《模拟电路基础知识讲座》由 TI 邀请青岛大学傅强老师录制，深入浅出的介绍了模拟电路及电源相关的基础知识，帮助大家由浅入深地了解产品，更轻松的进行产品的选型和设计。
本课程共计80节视频内容，视频解析文字课40节，每周二、周四更新，欢迎同学观看学习。

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本节文字课程相关视频：
1. 电流检测方法
2. 电流检测放大器

大多数的电子电路中，都包含测控环节，即测量出电路运行参数，然后基于这些参数来控制电路。电路中，最普遍的物理参数量就是电压和电流。由于各种现实原因，我们的检测工具大部分是基于电压量输入的，因此对于电流的检测也通常要转变为电压信号再进行测量。
1 电流检测方法
在实际应用中，我们经常需要检测电流的大小。电压检测可以很容易的用分压电阻的方法得到，但是电流的检测方法却要复杂一些。通常有两大类方法检测电流，隔离或是不隔离。
对于工频正弦交流电，可以采用电流互感器进行隔离检测，利用变压器原理将原边电流折算到副边，使用电流互感器有几个注意事项：
1) 如图1所示为不同规格大小的电流互感器，待测电流导线穿过互感器中心，相当于是变压器的初级，一般只有1匝（也可导线多次穿心变多匝），副边则有多匝。
2) 互感器的参数不是标匝数比，而是标类似100A:1A。变压器电流比等于电压比（匝数比）反比，“100A:1A”还给出了额定电流的参数。特别小的电流互感器也采用实心结构，相当于把穿心导线提前做进去了，直接引出接头或引脚使用。

图1 电流互感器

3) 切记电流互感器的次级不能断路。图2所示的仿真电路，次级所接电阻用1MΩ电阻来模拟断路情况。V_G1电压采用幅值1000V的正弦波，待测电流正好为100A 幅值正弦波。

图2 互感器测量电流

4) 仿真结果如图3所示。现象很好解释，次级线圈的电流将为1A幅值的电流，乘以电阻1MΩ的R₂，电压值可不就是10万伏高压了吗。仿真中使用的变压器是理想变压器，实际中电压未必能到10万伏，但是定性的结果是类似的。

图3 电流互感器次级开路高压仿真

5) 图2电路所犯的错误来源于对我们长期以来对电流源和电压源概念的混乱认识上。电压源不能短路，电流源不能开路，电压源常见而电流源不常见。电流互感器的输出端在任何时候都应该并联上电阻或导线，以免意外产生高压带来危险和损坏。
6) 使用电流互感器还有一个注意事项就是图2中R₂电阻的功率问题。通常电路我们都无需去计算电阻的功耗是否符合要求，但是电流互感器所用的电阻往往都是需要仔细计算发热功率的。
7) 具体就是，根据信号要求调节R₂阻值，获取足够幅值的测量电压。比如，希望待测电流100A对应测量电压5V，就可以将R₂设定为5Ω。然后用I²R算出电阻的额定功率为5W（次级额定电流1A），一般功率电阻留1倍安全裕量，取5Ω/10W功率电阻。
如果待测信号是直流或者非工频正弦交流，则不能使用互感器（市售互感器仅针对工频设计）。这时可以采用价格昂贵的霍尔电流传感器进行隔离测量（霍尔传感器的知识可以自行科普），也可以用交直流任意波形通杀的“分流器”进行非隔离测量。
分流器名字高大上，但说白了其实它就是个检流电阻，但随便一个电阻是不能充当检流电阻使用。
1) 检流电阻串联在主电路中，电流很大，必然发热。由于我们使用过程中不会再去测量电阻值，所以检流电阻的阻值必须稳定，也就是不能随温度显著变化。如图4所示为大功率分流器，黑色部分是一般是用康铜材料，缺口用于调整阻值，银白部分为紫铜镀锌材质的接头。
2) 检流电阻的阻值一般都很小，所产生的压降要不能影响主电路。分流器的一般标准是XXA/75mV，也就是达到额定电流时，压降为75mV。除了可直接接指针类仪表外，对分流器信号采样前需要放大。

图4 分流器

3) 在数安培以内的小功率应用场合，我们也常用的毫欧级的专用功率电阻进行检测电流，这类电阻需是无感电阻，一般为针插或贴片封装，便于安装在PCB电路板上。
无论是大功率分流器还是小型检流电阻，出于少影响待测电路的目的，它们产生的电压都很小，需要进一步放大。放大电路的基本接法有两大类，低侧电流检测和高侧电流检测。先来说低侧电流检测法。
1) 如图5所示，负载RL的“下方”有一个检流电阻R₁，只需测量R₁上端电压，即可检测电流。

图5 低侧电流检测电路

2) 使用运放同相比例运算电路将R₁上的电压信号放大1000倍，输出电压为V_M1。仿真运行结果如图6所示。主电流电流幅值约为500mA，R₁上电压幅值约为500μV，经放大后得到了500mV的方波电压。

图6 低侧电流检测仿真

使用低侧电流检测电路仅需普通运放，成本低，但是是有适用条件的。
1) 如图5所示，负载R_L不再是共地输出。对于一些负载还有后续处理电路的场合，是要求输出信号共地的。无需共地的负载一般都是终端负载，比如蜂鸣器、喇叭、电机、灯等用电器。
2) 特别的，对于电机等非线性、强干扰负载，低侧电流检测并不适用。如图5所示，低侧电流检测的基本原理是认为R₁“下端”电压为0，所以才只需检测R₁上端电压的值。
3) 对于电机等负载，主回路的地线应看做是“功率地”，它与运放所在的“模拟地”之间需要“隔离”，两个“地”本身两者就会有电压差。所以，只检测R₁单端电压是不够的。

2 电流检测放大器
专用电流检测放大器的原理如图7所示。
1) 通过电阻和高耐压晶体管将VSENSE转变成电流信号进行输出，或再接ROUT转变成电压输出。

图7 电流检测放大器原理

2) 图7的输入输出关系式很容易推导：
（1）
    （2）
基于差分原理的高侧电流检测适用于所有检流应用。但究竟是选择差分放大器、仪表放大器、还是电流检测放大器呢？高侧检流电阻的（共模）电压一般比较高，无法使用仪表放大器。
差分放大器和电流检测放大器的主要对比如表1所示。电流检测放大器几乎在各个性能指标上都优于差分放大器，特别是速度和增益可调方面。
表1 差分放大器与电流检测放大器的对比差分放大器     

特点	电流检测放大器	差分放大器
速度	快，可测量瞬时电流	慢适合测量平均电流
增益	可调	固定
CMRR（DC）	>100dB	80dB
CMRR（PWM）	80dB	80dB
输入级漏电流	低	分压网络导致漏电流大
外部滤波器	输入级之后	输入级前后均可
输入过压	损坏输入级晶体管	分压网络在前，危害小

不仅是基于电流输出的电流检测放大器的速度快，将来我们还会发现，电流输出型的DAC也要快于电压型的DAC。为什么“电流”的速度要高于“电压”？
1) 限制“电压”速度的是电容，限制电流速度的是“电感”，这是完全对偶的，所以滤波电路可以是电容滤波或电感滤波。
2) 但是现实中，电容远比电感容易“获取”，所以我们在一般情况下都用电容滤波。
同理，“寄生”电容也比“寄生”电感大得多，所以“电流”速度比“电压”速度快。

欢迎大家留言作答以下题目，答案将在下期公开课公布。在答案公布前作答正确的同学，还将获得5枚赫兹币奖励哦~

课后问答：
选择题：
1、        电流互感器的输出短接会发生什么现象？(    )
A电流会持续上升
B会发生短路故障
C会发热烧毁
D不会发生什么危险的事
2、        关于分流器的说法，正确的是？(    )
A分流器就是个电阻
B分流器输出信号幅值很低
C分流器的材料温度稳定性要求高
D分流器可以检测任何电流信号
3、        差分放大器用于电流检测有什么优点？(    )
A可以输入高电压信号
B检测速度快
C输出信号幅值可调        
4、        电流检测放大器选型时，有哪些注意事项？(    )
A注意输入电压范围
B注意待测信号带宽
C注意输出信号的内阻
D注意增益是否需要可调

参考答案：

1 D

2 ABCD

3 A

4 ABCD

secret

1 D
2 ABCD
3 A
4 ABCD

春风十里

1 D
2 ABCD
3 A
4 ABCD

yangjiaxu

1 D
2 ABCD
3 A
4 ABCD

青春已被氧化

1.     D
2.     ABCD
3.     A
4.     ABCD

吃了跳跳糖啊

1 D
2 ABCD
3 A
4 ABCD

MinDa

老师您好！CMRR我知道是共模抑制比，则CMRR(DC)和CMRR(PWM)分别代表什么意思？盼复