超详尽解析：一块 Demo 板玩转四种直流电流采样方案

在电子电路设计的广阔领域中，电流采样犹如基石般重要，是众多电子系统正常运行的关键环节。无论是电池供电的各类电子产品中对电池充放电状态的精准检测，还是直流无刷 / 有刷电机驱动里电流环的精确控制，亦或是电子设备为防止短路过流而设置的保护机制，都离不开精确的电流采样技术。

本文中，DigiKey 深入研究了 4 种常用的直流电流采样方案，分别为低边电流采样、高边电流采样、集成数字功率计以及霍尔电流传感器，并且精心设计了一块集成这四种采样电路的 Demo 板，为工程师们提供了一套实用且全面的电流采样解决方案。

为了让大家更加直观地感受这4种电流采样的差异，我们专门设计了一块Demo板。这块Demo板集成了4种直流采样电路，并配备了STM32F103最小系统板，用于将采集到的电流值通过串口打印输出。此外，Demo板还设有2个功能按键，可以方便地切换不同的采样电路。接下来，我们将逐一介绍这些采样方案。

单片机ADC无法直接进行电流信号转换的，怎么办呢？

首先，需要将电流信号转换成电压信号，最常用就是检流电阻了。原理很简单：根据负载电路中的最大电流值，在负载电路中串联一个精密电阻。当电路接通时，流过负载的电流与流过精密电阻的电流相同。此时，精密电阻两端会产生电压差。利用欧姆定律（I=U/R），通过测量精密电阻两端的电压差并除以电阻值，就能得到电路中的电流值。

根据检流电阻所在的位置，电流采样可以分为低边电流采样和高边电流采样。如果检流电阻的一端接负载，另一端接地，电流流经负载后通过检流电阻返回，这就是低边电流采样。而如果电流从电源正极流经检流电阻再进入负载，这就是高边电流采样。

低边电流采样

我们先来看低边电流采样。以下是低边电流采样的原理图：

电路设计：检流电阻RS1的阻值为25毫欧。假设负载电流为1A，那么在RS1两端的电压差就是25毫伏。将采集到的电压送入同相比例放大器OPA2365，根据电路参数，放大倍数为21。因此，RS1两端的电压乘以放大倍数后，1A电流对应的电压值为0.525V。放大后的电压信号再送入电压跟随器，通过其高输入阻抗和低输出阻抗特性实现信号缓冲，最后送入单片机的ADC输入端，通过转换得到实际电流值。

实测效果：接通电路，通过按键设定为低边电流检测模式，同时打开串口助手。在电源端和负载端分别接入直流电源和电子负载，将直流电源电压设定为12V，电子负载电流设定为1A。接通后，观测到实际电流为1.01A。随着负载电流的增加，打印输出的电流值也在相应变化。不过，单片机输出的值与电路实际值存在一定误差，这是由于元件误差和ADC基准误差等因素引入的。在实际应用中，我们需要根据电路性能要求，选择更高精度的元件和电压基准源来提高测量精度。

高边电流检测

接下来是高边电流检测，以下是高边电流检测的原理图：

电路设计：检流电阻RS2的阻值同样为25毫欧。这里使用了一款电流检测放大器AD8418，它是一款高压、高分辨率的电流检测放大器。初始增益设定为20 V/V，在整个温度范围内，最大增益误差仅为±0.15%。其缓冲输出电压可以直接与任何典型转换器连接。对于高边电流检测，还需要考虑共模电压范围。AD8418的共模电压范围在−2 V至+70 V，具有出色的输入共模抑制性能，能够在采样电阻上进行双向或单向电流测量，适用于各种汽车和工业应用，如电机控制、电池管理和电磁阀控制等。

假设负载电流为1A，在RS2两端的电压差为25毫伏。AD8418的增益为20 V/V，通过计算可知，负载电路中电流增加1A时，对应输出增加0.5V。将放大后的电压信号送入电压跟随器，最后送入单片机的ADC输入端，通过计算得到实际电流值。

实测效果：在测试板上，实际电流值随着负载电流的变化而正确变化。对比低边和高边电流采样，从电路图可以看出，高边电流检测额外增加了一个高共模运放，因此成本更高，电路也更复杂。

从性能角度来看，低边电流检测会引入地电平干扰，尤其在大电流情况下，这种干扰会更加显著。此外，低边电流检测无法检测负载对地短路。而高边电流检测则可以判断负载短路故障，且无需考虑地电平干扰，安全性更高。因此，低边电流采样更适合低成本和消费电子领域，而高边电流检测则适用于高安全性、高可靠性的场景，例如汽车和工业设备等需要实时检测短路或异常电流的场合。

集成数字功率计

前面介绍的两种电流采样方案都需要自行设计较为复杂的信号电路，而集成数字功率计则提供了一种更为便捷的解决方案。在本次设计的 Demo 板上，使用了一片 INA229，这是 TI 公司推出的一款高精度、低功耗的集成数字功率监测芯片。它支持 20 位分辨率的电流、电压及功率检测，共模电压支持范围在−0.3V 至 + 85V，能够满足高压电池组或工业电源的检测需求。此外，它还内置了 SPI 数字接口，可直接输出电流、电压、功率、能量及电荷的实时数据，大大简化了系统设计的复杂度。

以下是INA229的原理图：

电路设计：外围电路除了一个采样电阻和几颗电容外，没有其他复杂元件。使用时，只需配置好采样电阻，然后通过SPI接口即可直接读取电流、母线电压、功率等参数，非常方便。

实测效果：该电路的检流电阻阻值为10毫欧。假设负载电流为1A，在RS3两端的电压差为10毫伏。这个信号输入到INA229后，它会根据配置计算出结果并传输给单片机。同样接通电路，通过按键设定为集成数字功率计模式，在电源端和负载端分别接入直流电源和电子负载，将直流电源电压设定为12V，电子负载电流设定为1A。观测到实际电流为1.01A，电压为12.1V，功率为12.5W。随着负载电流的增加，打印输出的电流和功率也在相应变化，测量结果非常精准。

霍尔电流传感器

以上3种电流采样都是使用的检流电阻。除了使用检流电阻外，还可以利用霍尔电流传感器来采集电流。在我们的电路中，使用的是ALLEGRO公司的ACS758LCB-050B，这是一款集成式霍尔电流传感器，专为±50A双向直流/交流电流检测设计。其典型精度为±1%，适用于对稳定性要求较高的工业与汽车场景。内部铜导体的电阻仅为0.1mΩ，能够有效降低功率损耗和发热。此外，它还具备高达4800Vrms的绝缘耐压，确保在高压环境下的安全性。

以下是ACS758LCB-050B的原理图：

电路设计：在0电流时，它的输出为1/2VCC。我们使用的电源电压为3.3V，因此在0电流时，理论输出为1.65V。当电流正向流动时，输出电压会向VCC靠近；当电流反向流动时，输出电压会向0V靠近。

实测效果：上电后，打印输出的电流值会随着负载电流的变化而变化。不过，由于其满量程较大，在小电流时误差相对较大。因此，在实际使用中，需要根据电路的实际电流选择量程合适的霍尔电流传感器。

通过原理的详细讲解和实际实验的验证，我们全面介绍了四种常用的直流电流采样电路，并对它们各自的适用场景进行了深入分析。工程师们可以根据自己的项目需求，如成本、精度、安全性、可靠性等因素，综合考虑并选择合适的采样电路。希望大家通过本文能够对直流电流采样有更深入、更全面的了解，在实际应用中做出更加合理、科学的选择。