Widerstandsstrommessung:Low-Side vs. High-Side-Messung

Was ist der Unterschied zwischen High-Side- und Low-Side-Widerstandsstrommessung? In diesem Artikel werden die Grundlagen erläutert und erläutert, wann jedes Design die geeignetere Wahl ist.

Viele Anwendungen, wie z. B. Energieverwaltung, Batterieladung, Motorsteuerung und Überstromschutz, können von der Widerstandsstrommessung profitieren. Es gibt zwei Möglichkeiten, einen Strommesswiderstand in Reihe mit einer Last zu schalten:Low-Side- und High-Side-Strommessung.

In diesem Artikel werden wir uns diese beiden Anordnungen ansehen und ihre grundlegenden Vor- und Nachteile diskutieren.

Widerstandsstrommessung

Die ohmsche Strommessung wird häufig bei Leiterplattenbaugruppen verwendet, wenn es um niedrige bis mittlere Stromstärken geht. Bei dieser Technik wird ein bekannter Widerstand R_Shunt wird in Reihe mit der Last geschaltet und die über dem Widerstand entwickelte Spannung wird gemessen, um den Laststrom zu bestimmen. Dies ist in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1

Strommesswiderstände, auch Shunt-Widerstände oder einfach Shunts genannt, haben in der Regel Werte im Bereich von Milliohm. Bei Anwendungen mit sehr hohem Strom kann der Wert des Shunt-Widerstands sogar Bruchteile eines Milliohm betragen, um die Verlustleistung des Widerstands zu reduzieren.

Beachten Sie, dass selbst bei kleinen Widerstandswerten die Shunt-Verlustleistung ein Problem sein kann, insbesondere bei Hochstromanwendungen. Bei R=1 mΩ und I=100 A beträgt die Verlustleistung des Shunt-Widerstands beispielsweise:

\[P =R \times I^2 =0.001 \times 100^2 =10 W\]

Ein kleiner Widerstandswert führt auch zu einem kleinen Spannungsabfall am Widerstand. Aus diesem Grund wird ein Verstärker benötigt, um die kleine Spannung, die über dem Shunt-Widerstand entsteht, in eine ausreichend große Spannung umzuwandeln, die für vorgeschaltete Schaltungen geeignet ist.

Wir werden erörtern, dass der Verstärker bei der High-Side-Strommessung strenge Anforderungen in Bezug auf die Spezifikation des Gleichtaktunterdrückungsverhältnisses (CMRR) stellen kann.

Low-Side- und High-Side-Erkennung

Es gibt zwei Möglichkeiten, einen Shunt-Widerstand in Reihe mit einer Last zu schalten. Diese beiden Anordnungen werden als Low-Side- und High-Side-Strommessmethoden bezeichnet und sind in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2. (a) Low-Side-Strommessung und (b) High-Side-Strommesstechniken.

In der Low-Side-Konfiguration ist der Strommesswiderstand (R_Shunt ) wird zwischen der Erdungsklemme des Netzteils und der Erdungsklemme der Last platziert. Bei der High-Side-Methode wird der Shunt-Widerstand zwischen dem Pluspol des Netzteils und dem Versorgungseingang der Last platziert.

Sehen wir uns die Vor- und Nachteile der einzelnen Methoden an.

High-Side versus Low-Side-Sensing:Der Gleichtaktwert

Angenommen, R_Shunt =1 mΩ und I=100 A. Selbst bei diesem großen Strom beträgt der Spannungsabfall am Shunt-Widerstand nur 100 mV. Daher liegt der Gleichtaktwert der Spannung über einem Low-Side-Shunt-Widerstand nur geringfügig über dem Massepotential. Und bei der High-Side-Konfiguration liegt der Gleichtaktpegel der Spannung am Shunt-Widerstand sehr nahe an der Lastversorgungsspannung.

Da der bei der Low-Side-Strommessung verwendete Verstärker mit einer kleinen Gleichtaktspannung umgeht, muss er kein hohes Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR) aufweisen. Das Gleichtaktunterdrückungsverhältnis gibt an, wie viel Dämpfung ein Verstärker für ein Signal aufweist, das beiden Eingängen des Verstärkers gemeinsam ist. Da der Gleichtaktwert für eine Low-Side-Stromerfassungskonfiguration fast null ist, wird die CMRR-Anforderung des Verstärkers erheblich gelockert und folglich können einfache Verstärkerkonfigurationen verwendet werden.

Abbildung 3 zeigt einen Basisverstärker, der bei der Low-Side-Strommessung verwendet werden kann.

Abbildung 3

In diesem Beispiel besteht der Verstärker aus einem Operationsverstärker und zwei Verstärkungseinstellwiderständen R1 und R2. Beachten Sie, dass dies tatsächlich die nicht invertierende Konfiguration eines Operationsverstärkers ist. Das bekanntere Schema dieses Verstärkers ist unten gezeigt:

Abbildung 4

Der Ausgang, der eine verstärkte Version von V_shunt . ist kann durch die folgende Gleichung gefunden werden:

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

Andererseits muss ein Verstärker, der bei der High-Side-Strommessung verwendet wird, mit einer großen Gleichtaktspannung umgehen. Der Verstärker sollte einen hohen CMRR haben, um zu verhindern, dass der große Gleichtakteingang am Ausgang erscheint. Aus diesem Grund werden für die High-Side-Strommessung spezielle Verstärkerkonfigurationen benötigt. Diese Verstärker sollten einen hohen CMRR aufweisen und einen Eingangsgleichtaktbereich bis zur Lastversorgungsspannung unterstützen.

Es ist erwähnenswert, dass es viele High-Side-Stromerfassungsanwendungen gibt, wie z. B. 3-Phasen-Motorsteuerungsanwendungen, bei denen die Lastversorgungsspannung viel höher ist als die für den Verstärker verwendete Versorgungsspannung. Daher muss in einer High-Side-Sensorkonfiguration der Eingangsgleichtakt des Verstärkers normalerweise viel größer sein als seine Versorgungsspannung – eine Anforderung, die das Verstärkerdesign sehr anspruchsvoll macht.

Low-Side-Methode kann zu Problemen mit der Masseschleife führen

Obwohl das Low-Side-Sensing-Verfahren das Verstärkerdesign vereinfacht, hat es einige Nachteile. Bei der Low-Side-Strommessung wird ein zusätzlicher Widerstand in den Massepfad gelegt. Daher liegt die Masse des überwachten Stromkreises auf einem etwas höheren Potential als die Systemmasse. Dies kann für einige analoge Schaltkreise zu einem Problem werden.

Da die Masse des überwachten Stromkreises nicht das gleiche Potential wie die anderen Lasten im System hat, kann es zu Problemen mit der Masseschleife kommen, die zu hörbarem Rauschen wie einem Brummen oder sogar zu Interferenzen mit nahegelegenen Geräten führen kann. Aufgrund dieser Einschränkung wird die Low-Side-Strommessung normalerweise in Anwendungen verwendet, bei denen es sich um eine isolierte Last handelt oder die Last nicht empfindlich gegenüber Erdrauschen ist. Die kostensensitive Motorsteuerung in Anwendungen wie Drohnen, Bohrmaschinen und Säbelsägen verwendet typischerweise eine Low-Side-Sensorik, um auf dem Verbrauchermarkt konkurrieren zu können.

Low-Side-Methode kann Fehlererkennung nicht erkennen

Es gibt verschiedene Fehlerzustände, die die Low-Side-Stromerfassung nicht erkennen kann. Abbildung 5 zeigt ein Beispiel, bei dem ein Kurzschluss zwischen der Stromversorgung des überwachten Stromkreises und der Systemmasse auftritt.

Abbildung 5

Der Fehlerstrom, I_kurz , fließt von der Busspannung direkt zur Systemmasse und geht nicht durch den Shunt-Widerstand. Daher erkennt die Stromüberwachungsschaltung diesen Fehlerzustand nicht. Die Low-Side-Strommessung kann auch keinen Kurzschluss zwischen der Masse des überwachten Stromkreises und der Systemmasse erkennen (Abbildung 6).

Abbildung 6

Die High-Side-Stromerfassung kann jedoch die Fehlerbedingungen erkennen, die stromabwärts des Shunt-Widerstands auftreten. Dies ist in Abbildung 7 dargestellt.

Abbildung 7

In diesem Fall fließt der Fehlerstrom durch den Shunt-Widerstand. Daher kann die Strommessschaltung den Kurzschlusszustand erkennen und die geeignete Korrekturmaßnahme auslösen.

High-Side-Strommessung kann die Verkabelung vereinfachen

Ein weiterer Nachteil der Low-Side-Strommessung besteht darin, dass zwei Drähte benötigt werden, um den überwachten Stromkreis zu versorgen, selbst wenn die Systemerdung verfügbar ist. Bei Automobilanwendungen dient beispielsweise das Fahrzeugchassis als gemeinsame Masse. Da sich das Chassis auf der Bodenebene des Systems befindet, benötigen wir nur einen einzigen Draht zum Versorgen einer Last. Wenn jedoch der Strom durch die Last mit der Low-Side-Messtechnik überwacht wird, kann die Systemerde nicht verwendet werden und es werden zwei Drähte für die Last benötigt. Da die High-Side-Erfassungstechnik die Systemmasse für die überwachte Last verwendet, leidet sie nicht unter dieser Einschränkung. Aus diesem Grund ist High-Side-Sensing besser für Automobilanwendungen geeignet.

Im nächsten Artikel werden wir den Schaltplan in Abbildung 3 genauer untersuchen. Wir werden sehen, dass diese Struktur auch anfällig für den Leiterbahnwiderstand der Leiterplatte ist und eine genauere Messung mit einem Differenzverstärker möglich ist.

Schlussfolgerung

Der Hauptvorteil der Low-Side-Erfassung besteht darin, dass relativ einfache Konfigurationen verwendet werden können, um die Spannung am Shunt-Widerstand zu verstärken. Die Low-Side-Strommessung ist jedoch anfällig für Erdungsstörungen und kann keine Fehlerbedingungen erkennen. Die Low-Side-Strommessung wird normalerweise in kostensensiblen Motorsteuerungsanwendungen verwendet, die auf dem Verbrauchermarkt konkurrenzfähig sein müssen.

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