Low-Side vs. High-Side Strommessung: Praktische Design-Entscheidungen

Was ist der Unterschied zwischen High-Side und Low-Side resistiver Strommessung? Dieser Artikel erklärt die Basics sowie wann jede Methode die geeignetere Design-Wahl ist.

Viele Applikationen – Power Management, Batterieladen, Motor Control, Überstromschutz – profitieren von resistiver Strommessung. Es gibt zwei Optionen für die Platzierung eines Shunt-Widerstands in Serie mit der Last: Low-Side und High-Side Strommessung.

In diesem Artikel betrachten wir diese zwei Anordnungen und diskutieren ihre grundlegenden Vor- und Nachteile.

Resistive Strommessung

Resistive Strommessung ist weit verbreitet auf Leiterplatten bei niedrigen bis moderaten Strömen. Dabei wird ein bekannter Shunt-Widerstand R_shunt in Serie mit der Last platziert und die Spannung über dem Widerstand gemessen, um den Laststrom zu bestimmen. Dies ist in Abbildung 1 illustriert.

Shunt-Widerstände (auch Strommesswiderstände oder Shunts genannt) haben typischerweise Werte im Milliohm-Bereich. Bei sehr hohen Strömen kann der Shunt-Wert sogar Bruchteile eines Milliohms betragen, um die vom Widerstand dissipierte Leistung zu reduzieren.

Beachten Sie: Auch bei kleinen Widerstandswerten kann die Shunt-Leistungsdissipation zum Issue werden, besonders bei High-Current-Applikationen. Beispiel: Bei R=1 mΩ und I=100 A beträgt die vom Shunt dissipierte Leistung:

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

Ein kleiner Widerstandswert führt auch zu einem kleinen Spannungsabfall. Deshalb wird ein Amplifier benötigt, um die kleine Spannung am Shunt in eine ausreichend große Spannung für nachgelagerte Schaltungen umzuwandeln.

Wir werden diskutieren, dass der Amplifier im High-Side-Sensing strenge Anforderungen an das Common-Mode Rejection Ratio (CMRR) haben kann.

Low-Side und High-Side Sensing

Es gibt zwei Optionen für die Platzierung eines Shunt-Widerstands in Serie mit einer Last. Diese Anordnungen werden als Low-Side und High-Side Strommessung bezeichnet und in Abbildung 2 dargestellt.

In der Low-Side-Konfiguration wird der Shunt (R_shunt) zwischen dem Ground-Terminal der Stromversorgung und dem Ground-Terminal der Last platziert. Bei der High-Side-Methode sitzt der Shunt zwischen dem positiven Terminal der Stromversorgung und dem Supply-Input der Last.

Sehen wir uns Vor- und Nachteile jeder Methode an.

High-Side vs. Low-Side: Der Common-Mode-Wert

Angenommen R_shunt=1 mΩ und I=100 A. Selbst bei diesem hohen Strom beträgt der Spannungsabfall am Shunt nur 100 mV. Daher ist der Common-Mode-Wert der Spannung über einem Low-Side-Shunt nur leicht über Ground-Potenzial. Bei der High-Side-Konfiguration ist der Common-Mode-Level der Spannung am Shunt sehr nah an der Last-Versorgungsspannung.

Da der Amplifier im Low-Side-Sensing mit einem kleinen Common-Mode-Wert umgeht, benötigt er kein hohes CMRR. Das Common Mode Rejection Ratio spezifiziert, wie viel Dämpfung ein Amplifier für ein Signal zeigt, das beiden Eingängen gemeinsam ist. Da der Common-Mode-Wert bei Low-Side fast null ist, ist die CMRR-Anforderung deutlich entspannter – einfache Amplifier-Konfigurationen können genutzt werden.

Abbildung 3 zeigt einen Basis-Amplifier für Low-Side-Sensing.

In diesem Beispiel besteht der Amplifier aus einem Op-Amp und zwei Gain-Setting-Widerständen R1 und R2. Beachten Sie: Dies ist tatsächlich die nicht-invertierende Konfiguration eines Op-Amps. Das bekanntere Schema ist unten gezeigt:

Der Output – eine amplifizierte Version von V_shunt – ergibt sich durch:

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

Andererseits muss ein Amplifier im High-Side-Sensing mit einem großen Common-Mode-Wert umgehen. Er sollte ein hohes CMRR haben, um zu verhindern, dass der große Common-Mode-Input am Output erscheint. Deshalb sind spezialisierte Amplifier-Konfigurationen für High-Side-Sensing nötig. Diese sollten hohes CMRR exhibieren und einen Input-Common-Mode-Range bis zur Last-Versorgungsspannung unterstützen.

Erwähnenswert: Es gibt viele High-Side-Applikationen, z. B. 3-Phasen-Motor-Control, wo die Last-Versorgungsspannung weit über der Amplifier-Versorgungsspannung liegt. Daher muss der Input-Common-Mode des Amplifiers im High-Side-Sensing meist viel größer sein als seine Supply Voltage – eine Anforderung, die das Amplifier-Design sehr herausfordernd macht.

Low-Side-Methode kann Ground-Loop-Issues verursachen

Obwohl Low-Side-Sensing das Amplifier-Design vereinfacht, hat es Nachteile. Low-Side platziert einen zusätzlichen Widerstand in den Ground-Pfad. Daher liegt der Ground des überwachten Circuits auf einem Potenzial leicht über dem System-Ground. Dies kann für manche Analog-Circuits problematisch werden.

Da der Ground des überwachten Circuits nicht auf demselben Potenzial wie andere Lasten im System liegt, können Ground-Loop-Issues auftreten, die zu audible Noise (z. B. Brummen) oder Interferenzen mit naheliegender Equipment führen. Aufgrund dieser Limitierung wird Low-Side meist in Applikationen genutzt, wo eine isolierte Last vorliegt oder die Last nicht sensitiv auf Ground-Noise reagiert. Kostensensitive Motor-Control in Drohnen, Bohrmaschinen und Säbelsägen nutzt typischerweise Low-Side, um im Consumer-Markt wettbewerbsfähig zu bleiben.

Low-Side-Methode kann Fault Detection nicht detektieren

Es gibt diverse Fault-Conditions, die Low-Side-Sensing nicht detektieren kann. Abbildung 5 zeigt ein Beispiel, wo ein Kurzschluss zwischen der Stromversorgung des überwachten Circuits und dem System-Ground auftritt.

Der Fehlerstrom I_short fließt von der Bus-Spannung direkt zum System-Ground und passiert nicht den Shunt. Daher detektiert die Strommonitor-Schaltung diese Fault-Condition nicht. Low-Side kann auch einen Kurzschluss zwischen dem Ground des überwachten Circuits und dem System-Ground nicht detektieren (Abbildung 6).

High-Side-Sensing hingegen kann Fault-Conditions detektieren, die downstream vom Shunt auftreten (Abbildung 7).

In diesem Fall fließt der Fehlerstrom durch den Shunt. Daher kann die Strommess-Schaltung den Kurzschluss detektieren und korrektive Aktion triggern.

High-Side-Sensing kann Verkabelung vereinfachen

Ein weiterer Nachteil von Low-Side: Zwei Drähte werden benötigt, um den überwachten Circuit zu versorgen, selbst wenn System-Ground verfügbar ist. Beispiel Automotive: Der Wagen-Chassis dient als Common Ground. Mit Chassis auf System-Ground-Level braucht man nur einen Draht für Last-Versorgung. Wenn der Strom jedoch via Low-Side gemessen wird, kann der System-Ground nicht genutzt werden – zwei Drähte sind nötig. High-Side nutzt den System-Ground für die überwachte Last und leidet nicht unter dieser Limitierung. Deshalb ist High-Side besser für Automotive-Applikationen geeignet.

Im nächsten Artikel untersuchen wir das Schema aus Abbildung 3 detaillierter. Wir sehen, dass diese Struktur auch anfällig für PCB-Trace-Widerstand ist und eine genauere Messung via Difference Amplifier möglich ist.

Fazit

Der Hauptvorteil von Low-Side-Sensing: Relativ einfache Konfigurationen reichen zur Amplifikation der Shunt-Spannung. Allerdings ist Low-Side anfällig für Ground-Störungen und kann Fault-Conditions nicht detektieren. Low-Side wird meist in kostensensitiven Motor-Control-Applikationen genutzt, die im Consumer-Markt konkurrieren müssen.

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