Resistive Current Sensing:Low-Side vs. High-Side Sensing

Wat is het verschil tussen resistieve stroomdetectie aan de hoge en de lage kant? In dit artikel worden de basisprincipes uitgelegd, evenals wanneer elk de meest geschikte ontwerpkeuze is.

Veel toepassingen, zoals energiebeheer, het opladen van batterijen, motorbesturing en overstroombeveiliging, kunnen profiteren van resistieve stroomdetectie. Er zijn twee opties om een ​​stroomdetectieweerstand in serie met een belasting te plaatsen:stroomdetectie aan de lage kant en aan de hoge kant.

In dit artikel zullen we naar deze twee regelingen kijken en hun fundamentele voor- en nadelen bespreken.

Resistive stroomdetectie

Resistieve stroomdetectie wordt veel gebruikt op printplaatassemblages bij lage tot matige stroomniveaus. Met deze techniek wordt een bekende weerstand R_shunt wordt in serie met de belasting geplaatst en de over de weerstand ontwikkelde spanning wordt gemeten om de belastingsstroom te bepalen. Dit wordt geïllustreerd in figuur 1.

Figuur 1

Stroomdetectieweerstanden, ook wel shuntweerstanden of gewoon shunts genoemd, hebben meestal waarden in het bereik van milliohm. Voor toepassingen met zeer hoge stroomsterkte kan de waarde van de shuntweerstand zelfs fracties van een milliohm zijn om het door de weerstand gedissipeerde vermogen te verminderen.

Merk op dat zelfs bij kleine weerstandswaarden de vermogensdissipatie van de shunt een probleem kan zijn, vooral voor toepassingen met hoge stroomsterkte. Met R=1 mΩ en I=100 A is het door de shuntweerstand gedissipeerde vermogen bijvoorbeeld:

\[P =R \times I^2 =0,001 \times 100^2 =10 W\]

Een kleine weerstandswaarde leidt ook tot een kleine spanningsval over de weerstand. Daarom is een versterker nodig om de kleine spanning die over de shuntweerstand wordt ontwikkeld om te zetten in een voldoende grote spanning die geschikt is voor stroomopwaartse circuits.

We zullen bespreken dat de versterker bij high-side stroomdetectie strenge eisen kan stellen in termen van de Common Mode Rejection Ratio (CMRR)-specificatie.

Waarneming aan lage en hoge zijde

Er zijn twee mogelijkheden om een ​​shuntweerstand in serie te plaatsen met een belasting. Deze twee opstellingen worden low-side en high-side stroomdetectiemethoden genoemd en zijn weergegeven in figuur 2.

Figuur 2. (a) Lage-zijstroomdetectie en (b) high-side stroomdetectietechnieken.

In de low-side configuratie is de stroomdetectieweerstand (R_shunt ) wordt tussen de aardklem van de voeding en de aardklem van de belasting geplaatst. Bij de high-side methode wordt de shuntweerstand tussen de pluspool van de voeding en de voedingsingang van de belasting geplaatst.

Laten we eens kijken wat de voor- en nadelen van elke methode zijn.

High-side versus low-side detectie:de Common-Mode-waarde

Neem aan dat R_shunt =1 mΩ en I=100 A. Zelfs met deze grote stroom is de spanningsval over de shuntweerstand slechts 100 mV. Daarom ligt de common-mode-waarde van de spanning over een low-side shuntweerstand slechts iets boven het aardpotentieel. En voor de high-side configuratie ligt het common-mode niveau van de spanning over de shuntweerstand zeer dicht bij de belastingsvoedingsspanning.

Aangezien de versterker die wordt gebruikt bij low-side stroomdetectie een kleine common-mode-spanning heeft, hoeft deze geen hoge common-mode-rejectieverhouding (CMRR) te hebben. Common-mode onderdrukkingsverhouding specificeert hoeveel verzwakking een versterker vertoont voor een signaal dat gemeenschappelijk is voor beide ingangen van de versterker. Aangezien de common-mode-waarde bijna nul is voor een configuratie met lage-zijstroomdetectie, is de CMRR-vereiste van de versterker aanzienlijk versoepeld en bijgevolg kunnen eenvoudige versterkerconfiguraties worden gebruikt.

Afbeelding 3 toont een basisversterker die kan worden gebruikt bij lage-zijstroomdetectie.

Figuur 3

In dit voorbeeld bestaat de versterker uit een op-amp en twee versterkingsinstelweerstanden R1 en R2. Merk op dat dit eigenlijk de niet-inverterende configuratie van een op-amp is. Het meer bekende schema van deze versterker wordt hieronder getoond:

Figuur 4

De output die een versterkte versie is van V_shunt kan worden gevonden door de volgende vergelijking:

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

Aan de andere kant moet een versterker die wordt gebruikt voor stroomdetectie aan de hoge kant, omgaan met een grote common-mode-spanning. De versterker moet een hoge CMRR hebben om te voorkomen dat de grote common-mode-ingang aan de uitgang verschijnt. Dat is de reden waarom gespecialiseerde versterkerconfiguraties nodig zijn voor high-side stroomdetectie. Deze versterkers moeten een hoge CMRR vertonen en een common-mode ingangsbereik ondersteunen tot aan de belastingsvoedingsspanning.

Het is de moeite waard om te vermelden dat er veel toepassingen voor stroomdetectie aan de hoge kant zijn, zoals toepassingen voor driefasige motorbesturing, waarbij de voedingsspanning van de belasting veel groter is dan de voedingsspanning die voor de versterker wordt gebruikt. Daarom moet in een configuratie met high-side detectie de common-mode ingang van de versterker meestal veel groter zijn dan de voedingsspanning - een vereiste die het ontwerp van de versterker een grote uitdaging maakt.

Low-side methode kan aardlusproblemen veroorzaken

Hoewel de low-side detectiemethode het ontwerp van de versterker vereenvoudigt, heeft deze enkele nadelen. Lage-zijstroommeting plaatst een extra weerstand in het aardpad. Vandaar dat de aarde van het bewaakte circuit een potentiaal heeft die iets hoger is dan de systeemaarde. Dit kan een probleem worden voor sommige analoge circuits.

Aangezien de aarde van het bewaakte circuit niet hetzelfde potentiaal heeft als de andere belastingen in het systeem, kunnen er aardlusproblemen zijn die leiden tot een hoorbaar geluid, zoals een brom, of zelfs interferentie met apparatuur in de buurt. Vanwege deze beperking wordt stroomdetectie aan de lage zijde meestal gebruikt in toepassingen waarbij we te maken hebben met één geïsoleerde belasting of de belasting niet gevoelig is voor grondruis. Kostengevoelige motorbesturing in toepassingen zoals drones, boren en reciprozagen maakt doorgaans gebruik van low-side sensing om te kunnen concurreren op de consumentenmarkt.

Low-Side-methode kan foutdetectie niet detecteren

Er zijn verschillende foutcondities die low-side stroomdetectie niet kan detecteren. Afbeelding 5 toont een voorbeeld waarbij een kortsluiting optreedt tussen de voeding van het bewaakte circuit en de systeemaarde.

Figuur 5

De foutstroom, I_kort , stroomt van de busspanning rechtstreeks naar de systeemaarde en gaat niet door de shuntweerstand. Daarom zal het stroombewakingscircuit deze foutconditie niet detecteren. Low-side stroomdetectie kan ook geen kortsluiting detecteren tussen de aarde van het bewaakte circuit en de systeemaarde (Figuur 6).

Figuur 6

De stroomdetectie aan de hoge kant kan echter de foutcondities detecteren die stroomafwaarts van de shuntweerstand optreden. Dit wordt getoond in figuur 7.

Figuur 7

In dit geval gaat de foutstroom door de shuntweerstand. Daarom kan het stroommeetcircuit de kortsluiting detecteren en de juiste corrigerende actie activeren.

High-side stroomdetectie kan bedrading vereenvoudigen

Een ander nadeel van low-side stroomdetectie is dat er twee draden nodig zijn om het bewaakte circuit van stroom te voorzien, zelfs als de systeemaarde beschikbaar is. In automobieltoepassingen dient het autochassis bijvoorbeeld als een gemeenschappelijke basis. Omdat het chassis zich op grondniveau van het systeem bevindt, hebben we slechts één enkele draad nodig om een ​​belasting van stroom te voorzien. Als de stroom door de belasting echter wordt gecontroleerd door de low-side meettechniek, kan de systeemaarde niet worden gebruikt en zijn er twee draden nodig voor de belasting. Omdat de high-side detectietechniek de systeemaarde gebruikt voor de bewaakte belasting, heeft deze geen last van deze beperking. Daarom is high-side detectie beter geschikt voor autotoepassingen.

In het volgende artikel zullen we het schema in figuur 3 in meer detail bekijken. We zullen zien dat deze structuur ook gevoelig is voor PCB-spoorweerstand en een nauwkeurigere meting kan worden gemaakt door middel van een verschilversterker.

Conclusie

Het belangrijkste voordeel van low-side detectie is dat relatief eenvoudige configuraties kunnen worden gebruikt om de spanning over de shuntweerstand te versterken. Lage-zijstroomdetectie is echter gevoelig voor aardverstoring en kan geen foutcondities detecteren. Low-side stroomdetectie wordt meestal gebruikt in kostengevoelige motorbesturingstoepassingen die moeten kunnen concurreren op de consumentenmarkt.

Ga naar deze pagina om een ​​volledige lijst van mijn artikelen te zien.