硬件电路设计之电流采样电路设计

1 简介

电流检测技术常用于 高压短路保护 、 电机控制 、 DC/DC换流器 、 系统功耗管理 、 二次电池的电流管理 、蓄电池管理等电流检测等场景。对于大部分应用，都是通过间接测量电阻两端的压降来获取待测电路电流大小的，如下图所示。在要求不高的情况下，电流检测电路可以通过运放放大转换成电压，反推算负载的电流大小。

2 采样电阻

本节主要说明一下二端采样电阻和四端采样电阻的一些差别：

二端采样电阻

这种采样电阻仅有两个PIN脚，在进行PCB走线时，需要特别注意，后面章节会进行详细说明。

一般采用较大的电阻值（通常为0.01 Ω~100Ω ），优点是 结构简单 、 成本低 ， 适合于小电流测量 。

四端采样电阻

这种采样电阻具有四个PIN脚，具体电阻见下

一般采用小电阻值（通常为 1Ω以下 ），优点是 测量精度高 、 温度系数低 ，可以在电路中实现较大电流的 准确测量 。

以Vishay的WSLP2726L5000FEA为例，其电阻值为0.0005Ω，温度系数低至75 PPM / C，特别适合在小电流电路中使用。

3 采样电路设计

芯片介绍

选用的芯片是INA240。INA240 器件是一款电压输出、电流检测放大器，具有 增强型PWM抑制功能，可在独立于电源电压的 –4V 至 80V 宽共模电压范围内检测分流器电阻上的压降。负共模电压允许器件的工作电压低于接地电压，从而适 应典型螺线管应用的反激周期。增强型 PWM 抑制功能 可为使用脉宽调制 (PWM) 信号的系统（例如，电机驱 动和螺线管控制系统）中的较大共模瞬变 (ΔV/Δt) 提 供高水平的抑制。凭借该功能，可精确测量电流，而不 会使输出电压产生较大的瞬变及相应的恢复纹波。这个系列对应的芯片有INA240A1、INA240A2、INA240A3、INA240A4，其主要区别在于放大倍数，具体见下：

序号	型号	放大倍数
1	INA240A1	20V/V
2	INA240A2	50V/V
3	INA240A3	100V/V
4	INA240A4	200V/V

电路设计

采样电阻的大小为0.003R，参考电压值为2.5V（5V/2 = 2.5V），其放大倍数为20V/V。具体计算过程后面章节会详细描述，此处不再赘述。

内部的功能方框图

基准电压

具体在电路设计中使用哪种基准电压，与采样电流方向/大小以及ADC的参考电压有关系。

1、以接地为基准的输出

2、以VS为基准的输出

3、外部基准输出

4、1/2VS电压输出

5、中外部基准输出

6、使用电阻分压器设置基准

4 采样电路计算过程

此处以STM32和FPGA计算为例子：

STM32电流采样计算

STM32的ADC是12位的，参考电压为3.3V，使用的芯片为INA240A1，采样电阻的阻值为0.05Ω，AD采样的值为2651，那么实际上流经板载的电流为多少？

FPGA电流采样计算

FPGA的ADC是10位的，参考电压为1V，使用的芯片为INA240A1，采样电阻的阻值为0.01Ω，AD采样的值为765，那么实际上流经板载的电流为多少？

5 卡尔文连接

布局通常采用开尔文连接方式，它是一种电阻抗或电压测量技术，使用单独的载电流和电压检测，相比传统的两个终端（ 2T）传感能够进行更精确的测量。四线检测的关键优点是分离的电流施加单元和电压测量单元，消除了布线和接触电阻的阻抗。

对于电流源而言，Rl电阻和测量电阻是串联的，是没有影响的，我们依然可以保证通过电阻R的电流为电流源施加的电流。对于电压测量单元，通常输入端都是高阻抗输入，达到了兆欧姆甚至更高级别，这个时候，流过Rl的电流很小，则Rl两端的电压差很很小，所以，我们测量的电压就近似等于电阻两端的实际电压。

计算过程：

电流源在采样电阻R1上产生的压降为：

采样模块的输入电阻接近无穷，假设采集的电压为U，则采样电流在采样电阻R1上产生的压降为：

则采样电流I为：

以上就是开尔文测试原理，这种检测方式可以完全规避走线或者线缆对检测产生的影响。现在的器件封装越做越小，要实现开尔文，对于测试座的要求也会越来越高，而且，随着电流的增大，要求会更高。中测的时候，如果我们也要实现开尔文测量，更要注意影响。通常探针的接触电阻，有几百毫欧到几欧姆，甚至几十欧姆，而探针能容纳的最大电流也只有几百毫安左右。我们必须清楚这些注意事项，采用合适的方案，以达到最好的测量效果。

6 注意事项

• 采样电阻的电阻值应根据被测电路的特性选择合适的数值。
• 采样电阻的功率要与被测电路的功率匹配，避免采样电阻受到过大的电流或电压而烧毁。
• 采样电阻的电阻值不应过小，否则会引起采样电阻本身的热失控，影响测量精度。
• 在测量直流电流时，采样电阻的两端不应短路，以免烧坏电表或测量仪。
• 在测量交流电流时，应选用耐高温、高频、低失真的采样电阻。
• 采样电阻的引线要注意长度和位置，尽量避免电源线、信号线等产生干扰。
• 采样电阻的接线要牢固可靠，以避免因接触不良或接线松动等问题导致测量误差。
• 采样电阻的使用寿命有限，需要定期检查和更换。