一、高侧电流检测概述

1. 定义

高侧电流检测 是指在电源正极（高侧）串联检测元件，通过测量该元件上的电压降来获取负载电流信息的技术。相比低侧检测，高侧检测具有以下优势：

• 不改变负载地参考：电路接地不受影响，便于系统集成。

• 防短路保护：在电源侧可快速检测异常电流。

• 兼容性高：适用于多种负载类型，尤其是浮地或隔离负载。

2. 应用场景

• 开关电源过流保护

• 电机驱动电流闭环控制

• 电池管理系统（BMS）

• 电源监控与功率计算

二、高侧电流检测的工作原理

高侧电流检测通常采用 分流电阻检测（Shunt Resistor Sensing） 或 霍尔效应传感器（Hall Effect Sensor）。

1. 分流电阻法

• 原理：在高侧电源串联一小阻值电阻，通过测量电阻两端压降（V = I × R）获取电流值。

• 特点：精度高、成本低，适用于低频或直流场景。

• 关键点：

• 电阻阻值较低，避免功率损耗。

• 压降信号需放大处理，通常使用运算放大器或专用电流检测放大器。

2. 霍尔效应法

• 原理：通过霍尔元件感应流过导体产生的磁场，输出与电流成比例的电压信号。

• 特点：隔离性好，适合高压、大电流测量。

• 关键点：

• 灵敏度随温度变化需校准。

• 输出信号需滤波和线性化处理。

三、高侧电流检测电路设计

高侧检测电路设计主要包括 电阻选型、信号放大、滤波与保护 四个核心环节。

1. 分流电阻选型

• 阻值选择原则：

  $$R_{shunt} = \frac{V_{sense}}{I_{max}}$$

  其中：

• $V_{sense}$：放大器输入允许的最大电压降

• $I_{max}$：最大工作电流

• 功率计算：

  $$P = I_{rms}^2 \times R_{shunt}$$

  确保电阻功耗满足连续运行要求。

• 精度要求：电阻温度系数（TCR）低、精度高，可选 0.1% 或 0.5% 精密合金电阻。

2. 差分放大器设计

• 作用：将小压降信号放大为可被 ADC 或控制器读取的电压。

• 放大倍数计算：

  $$Gain = \frac{V_{ADC\_max}}{V_{shunt\_max}}$$

  例如，最大压降 50 mV，ADC 满量程 3.3 V → Gain = 3.3/0.05 ≈ 66。

• 注意米勒效应与共模抑制：选用高共模抑制比（CMRR）运放或专用电流检测芯片。

3. 滤波设计

• 低通滤波器：滤除开关噪声

• 典型配置：

  $$f_c = \frac{1}{2\pi R_f C_f}$$

  其中 $R_f, C_f$ 为滤波电阻和电容，可针对开关频率设计截止频率。

4. 保护设计

• 过压保护：在输入端并联 TVS 或限压二极管，防止瞬态冲击损坏放大器。

• 过流保护：通过检测电流阈值实现快速关断或限流。

四、高侧电流检测电路计算实例

假设设计条件：

• 最大负载电流：10 A

• 电源电压：12 V

• 放大器允许压降：50 mV

• ADC 满量程：3.3 V

步骤一：分流电阻选型

$$R_{shunt} = \frac{V_{sense}}{I_{max}} = \frac{0.05}{10} = 0.005 \Omega$$

步骤二：电阻功率计算

$$P = I_{rms}^2 \times R = 10^2 \times 0.005 = 0.5 W$$

选择 1 W 额定功率电阻，保证安全裕量。

步骤三：差分放大器增益

$$Gain = \frac{V_{ADC}}{V_{shunt}} = \frac{3.3}{0.05} = 66$$

步骤四：滤波器设计
假设开关频率 50 kHz，设计截止频率 f_c = 10 kHz

$$C_f = \frac{1}{2\pi R_f f_c} \approx 318 pF \quad (\text{假设 } R_f = 50 k\Omega)$$

五、高侧电流检测验证方法

1. 仿真验证

• 使用 SPICE 或 LTspice 模拟电路响应

• 验证放大器输出电压随负载电流变化线性

• 仿真高频开关噪声影响与滤波效果

2. 实际测试

• 测量电阻两端压降

• 使用示波器观察放大器输出波形

• 校准输出与实际电流的线性关系

3. 温度与负载测试

• 不同环境温度下测量电流精度

• 不同负载条件下检测电路稳定性

• 对长期漂移与老化进行评估

六、常见设计注意事项

1. 低阻值电阻选择与热管理

• 高功率负载使用低阻值电阻，需考虑散热和 PCB 热设计。

2. 高共模抑制比（CMRR）

• 高侧检测电路输入共模电压接近电源电压，差分放大器需高 CMRR。

3. 避免寄生效应

• PCB 布线短直，电容布局合理，避免寄生电感影响测量。

4. 滤波与响应时间平衡

• 滤波器低通截止频率过低 → 响应变慢

• 截止频率过高 → 开关噪声影响大

5. 保护电路完善

• TVS、二极管保护及过流限流设计，提高电路可靠性。

七、总结

高侧电流检测电路是现代电子系统中不可或缺的监控手段，其核心在于 准确测量负载电流、保证系统安全、提高效率。

• 原理：通过分流电阻或霍尔效应传感器获取高侧电流信息。

• 设计关键：分流电阻选型、差分放大器增益、滤波与保护电路。

• 计算方法：根据最大电流、电压和 ADC 满量程计算阻值和放大倍数。

• 验证策略：仿真与实测结合，温度与负载校准，确保长期稳定性。

掌握高侧电流检测电路设计方法，可有效提升开关电源、电机驱动、电池管理系统等应用的可靠性与效率，为工程师提供科学、可实施的电路设计方案。