在工業(yè)控制、消費(fèi)電子、汽車電子等領(lǐng)域，0-1A 區(qū)間的負(fù)載電流檢測(cè)需求極為普遍，例如智能家居中的電機(jī)驅(qū)動(dòng)、便攜式設(shè)備的充電管理、工業(yè)傳感器的供電監(jiān)控等場(chǎng)景。這類應(yīng)用不僅要求電流檢測(cè)的精度達(dá)標(biāo)，還對(duì)方案的成本、功耗、體積提出嚴(yán)格限制。單電源低側(cè)電流感應(yīng)方案憑借結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本可控、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，成為解決 0-1A 負(fù)載電流精準(zhǔn)檢測(cè)的理想選擇。

一、0-1A 負(fù)載電流檢測(cè)的核心技術(shù)挑戰(zhàn)

在設(shè)計(jì) 0-1A 電流檢測(cè)方案時(shí)，工程師需重點(diǎn)突破三大技術(shù)難點(diǎn)。首先是小電流信號(hào)的精準(zhǔn)采集：0-1A 電流流經(jīng)采樣電阻時(shí)，若要避免過多功率損耗，采樣電阻阻值需控制在幾十毫歐級(jí)別，此時(shí)產(chǎn)生的電壓信號(hào)僅為幾毫伏至幾十毫伏，極易被電路噪聲淹沒。其次是單電源供電下的信號(hào)放大局限：?jiǎn)坞娫聪到y(tǒng)中，運(yùn)算放大器的輸出無法低于地電位，若直接對(duì)采樣電壓進(jìn)行放大，可能導(dǎo)致小電流信號(hào)被截頂失真，影響檢測(cè)精度。最后是溫度漂移的影響：采樣電阻和放大電路中的元器件會(huì)隨溫度變化產(chǎn)生參數(shù)漂移，例如金屬膜電阻的溫度系數(shù)若為 50ppm/℃，當(dāng)環(huán)境溫度變化 30℃時(shí)，僅電阻漂移就會(huì)導(dǎo)致 1.5% 的檢測(cè)誤差，遠(yuǎn)超 0-1A 電流檢測(cè)通常要求的 1% 以內(nèi)精度標(biāo)準(zhǔn)。

二、單電源低側(cè)電流感應(yīng)方案的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

(一)采樣電阻的選型與布局

采樣電阻是電流檢測(cè)的 “第一環(huán)節(jié)”，其選型直接決定檢測(cè)精度的上限。對(duì)于 0-1A 負(fù)載電流，采樣電阻需滿足兩個(gè)核心要求：一是低阻值與高精度平衡，推薦選擇 10mΩ-50mΩ 的合金電阻(如錳銅電阻)，這類電阻的溫度系數(shù)可低至 5ppm/℃以下，能有效降低溫度漂移對(duì)檢測(cè)精度的影響;二是低功率損耗，以 20mΩ 采樣電阻為例，0-1A 電流流經(jīng)時(shí)的功率損耗僅為 0.002W-0.02W，不會(huì)產(chǎn)生明顯的發(fā)熱問題。在布局上，采樣電阻需靠近負(fù)載端，且連接線路應(yīng)采用短路徑、粗導(dǎo)線設(shè)計(jì)，避免線路電阻引入額外誤差;同時(shí)，采樣電阻的兩端應(yīng)單獨(dú)引出檢測(cè)線，減少負(fù)載電流回路的干擾。

(二)信號(hào)放大電路的設(shè)計(jì)

單電源供電下，傳統(tǒng)的同相放大電路無法處理接近地電位的小信號(hào)，因此需采用電平抬升 + 同相放大的組合電路。具體設(shè)計(jì)中，先通過基準(zhǔn)電壓源(如 REF3012，輸出 1.25V 精準(zhǔn)基準(zhǔn)電壓)為采樣信號(hào)提供電平抬升，使放大后的信號(hào)處于運(yùn)算放大器的線性工作區(qū)間;再選用低失調(diào)電壓、低輸入偏置電流的運(yùn)算放大器(如 TI 的 OPA333，失調(diào)電壓僅 10μV，輸入偏置電流 1pA)構(gòu)建同相放大電路，放大倍數(shù)根據(jù)采樣信號(hào)范圍確定 —— 以 20mΩ 采樣電阻為例，0-1A 電流對(duì)應(yīng)的采樣電壓為 0.002V-0.02V，若需將其放大至 0.2V-2V(適配 ADC 的輸入范圍)，則放大倍數(shù)需設(shè)置為 100 倍。此外，為抑制高頻噪聲，需在運(yùn)算放大器的輸入端并聯(lián) 1nF-10nF 的陶瓷電容，輸出端串聯(lián) 10Ω-100Ω 的限流電阻，避免信號(hào)振蕩。

(三)ADC 模塊的選型與校準(zhǔn)

ADC 模塊負(fù)責(zé)將放大后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，其選型需匹配檢測(cè)精度要求。對(duì)于 0-1A 電流檢測(cè)，若要求精度達(dá)到 0.5%，則 ADC 的分辨率需至少為 12 位(即 4096 個(gè)量化等級(jí))，同時(shí)需選擇低積分非線性誤差(INL)的 ADC 芯片(如 ADI 的 AD7794，INL 誤差僅 ±0.005%)。在數(shù)據(jù)采集過程中，需采用多次采樣平均法減少隨機(jī)噪聲的影響，通常建議采樣次數(shù)設(shè)置為 16 次或 32 次，再對(duì)采樣結(jié)果取平均值;此外，還需進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)，通過標(biāo)準(zhǔn)電流源輸入 0.2A、0.5A、0.8A 等校準(zhǔn)點(diǎn)電流，記錄 ADC 的輸出值，建立校準(zhǔn)曲線，在實(shí)際檢測(cè)中通過線性插值修正誤差，進(jìn)一步提升檢測(cè)精度。

三、方案的性能驗(yàn)證與優(yōu)勢(shì)

(一)性能驗(yàn)證結(jié)果

為驗(yàn)證方案的有效性，搭建測(cè)試平臺(tái)：以 STM32L431 單片機(jī)作為主控芯片(內(nèi)置 12 位 ADC)，搭配 20mΩ 錳銅采樣電阻、OPA333 運(yùn)算放大器、REF3012 基準(zhǔn)電壓源，對(duì) 0-0.2A、0.5A、0.8A、1A 四個(gè)典型電流值進(jìn)行檢測(cè)。測(cè)試結(jié)果顯示：在 25℃環(huán)境溫度下，各電流值的檢測(cè)誤差均小于 0.3%;當(dāng)環(huán)境溫度從 - 10℃變化至 60℃時(shí)，最大檢測(cè)誤差僅為 0.8%，滿足 0-1A 負(fù)載電流的精準(zhǔn)檢測(cè)需求;同時(shí)，整個(gè)方案的靜態(tài)電流僅為 50μA，適合低功耗應(yīng)用場(chǎng)景。

(二)方案核心優(yōu)勢(shì)

相較于高側(cè)電流感應(yīng)方案，單電源低側(cè)電流感應(yīng)方案具有三大優(yōu)勢(shì)：一是成本更低，無需使用高精度的電流分流監(jiān)控器(如 TI 的 INA219)，僅通過電阻、運(yùn)放、通用 ADC 即可實(shí)現(xiàn)，硬件成本降低 30% 以上;二是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無需考慮高側(cè)檢測(cè)中的共模電壓?jiǎn)栴}，布線難度低，適合小型化設(shè)計(jì);三是抗干擾能力強(qiáng)，低側(cè)檢測(cè)的采樣信號(hào)與地電位接近，不易受電源波動(dòng)、負(fù)載切換等干擾因素的影響，檢測(cè)穩(wěn)定性更高。

四、應(yīng)用場(chǎng)景與擴(kuò)展

該方案可廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域：在智能家居領(lǐng)域，可用于掃地機(jī)器人的電機(jī)電流檢測(cè)，通過監(jiān)測(cè)電流變化判斷電機(jī)是否卡頓;在便攜式設(shè)備領(lǐng)域，可用于充電寶的輸出電流監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)充電電流的精準(zhǔn)調(diào)節(jié);在工業(yè)控制領(lǐng)域，可用于傳感器節(jié)點(diǎn)的供電電流檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常耗電問題。若需擴(kuò)展檢測(cè)范圍，只需更換不同阻值的采樣電阻(如檢測(cè) 0-5A 電流時(shí)，可選用 5mΩ 采樣電阻)，并調(diào)整放大電路的放大倍數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)靈活適配。

綜上所述，單電源低側(cè)電流感應(yīng)方案通過合理的硬件選型、優(yōu)化的電路設(shè)計(jì)及校準(zhǔn)策略，能夠精準(zhǔn)檢測(cè) 0-1A 負(fù)載電流，同時(shí)兼具成本低、功耗小、易集成的優(yōu)勢(shì)，為各類電流檢測(cè)應(yīng)用提供了高性價(jià)比的解決方案。