电流采样电路

问题

在电路工作中，面临电流监控的问题。如何搭建一个电流采样的电路，来实现电流采样的目的呢？

具体电路

电流采样，基于欧姆定理。电流流过电阻，在电阻两端产生压降。用电阻两端的电压除以电阻，就可以计算出电流：

图 1 欧姆定律简单示意

在实际使用中，采样电阻是比较小的（mohm），这导致电阻两端的压将也会比较小。如果直接传递到ADC采样部分，不太合适。可以对采样的电压进行放大处理，具体的电路：

图 2 放大电路及采样电路

理论推导

U_out电压经过RC滤波电路，与TVS管保护，输入到MCU的ADC保护模块，获取电压值。进而得到流经R_ref两端的电压值。之后，可以计算出电流值。

由图 2所示，采样的电流等于：

由于放大器的虚短与虚断特性，以上电路有以下特点：

虚断：流经放大器的正负极的电流I≈0

则流经电阻R1与R3的电流基本相等。流经R2与R4的电流基本相等。

放大器负极的电压U-，可以计算为：

而放大器正极U+的电压，可以计算为：

 虚短：U-≈U+

这里假设R1=R2,R3=R4

则R1+R3=R2+R4

可以化简为：

安全电路

如图 2所示，安全电路有两处。第一个是低通滤波RC电路，第二个是TVS管安全电路，将高压钳位至安全电压。

第一个，RC滤波电路，实现将高频干扰滤除，避免U_out变化过快。但是理论上会引起一些影响。电阻R与MCU的内阻实现分压，则实际上MCU的采样电压要比U_out小一些。针对这部分，可以在代码层面进行补偿。

第二个，TVS保护电路。MCU的管脚输入电压有上限值，使用TVS钳位，避免出现过高电压输入到MCU管脚，造成GPIO损坏。

选型原则

这里放大电路的放大倍数等于K=R3/R1,

采样电阻R_ref

当MCU的ADC电压达到最大值，这里取3.0v

这里如果

取K=100，R_ref=0.001ohm,则满载电流最大：I_max=3.0/（100*0.001）=30A

取K=100，R_ref=0.005ohm,则满载电流最大：I_max=3.0/（100*0.005）=6A

取K=50，R_ref=0.005ohm,则满载电流最大：I_max=3.0/（50*0.005）=12A

取K=50，R_ref=0.001ohm,则满载电流最大：I_max=3.0/（50*0.001）=60A

选型的时候，主要考虑满载的电流损耗。选择具体的采样电阻与放大倍数组合。