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最簡單的直接測量方法是使用分流（串聯）電流檢測電阻器來測量電流，其特點是簡單和線性化。 根據歐姆定律，電阻器兩端電壓代表電流幅值。對于汽車電池管理之類的高電流精密應用，Vishay 提供 WSBS8518L1000JK 等特制分流電阻器，既可作為獨立器件，也可集成到模制外殼內 (WSBM8518L1000JK) 以便 pc 板連接（圖 1）。
圖 1： 最簡單的直接測量方法是使用分流（串聯）電流檢測電阻器來測量電流，例如 Vishay Dale WSBS8515L100JK 分立式精密分流電阻器（上）或其相關外殼（下）。 （圖片由 Vishay Dale 提供）
該外殼采用 4 引腳母頭插座，與標準 Molex 連接器配接。 電阻可低至 100 µΩ，電感不到 5 nH，電阻溫度系數 (TCR) 低于 ±20 ppm/ºC。
高壓側和低壓側檢測
使用分流電阻器時，您可以將其插入負載和回路之間（低壓側檢測）或負載和電源之間（高壓側檢測）。 低壓側檢測具有簡單且成本低的優點，因為分流電阻器以地為基準，并可以使用標準運算放大器進行緩沖。 缺點之一是低壓側傳感器無法檢測負載低壓側的開路或短路情況。 分流電阻還會增加接地通路中的電阻，這在有些應用中是不可接受的。
高壓側檢測不會引入任何接地干擾，但分流電阻器的每側都有一個共模電壓，可能超出標準運算放大器的共模范圍或超過其電源電壓。
分流電阻器 IC
專為檢測過流情況而設計的 IC 有很多種，例如來自 Texas Instruments 的 INA300 電流檢測比較器。 INA300 工作電源為 5 V，但可以適應高達 36 V 的共模電壓。過流閾值可調節并且可通過數模轉換器 (DAC) 或外部電阻器進行設置。 響應時間在 10 μs 和 100 μs 之間。 警報輸出引腳或跟隨輸入狀態（透明模式），或在過流狀態后鎖閉。 在閉鎖模式下，系統微控制器清除閉鎖以確認收到警報。
圖 2： Texas Instruments 的 INA300 通過多種功能針對過流情況提供保護，包括可編程閾值電壓和響應時間。 （圖片由 Texas Instruments 提供）
雖然任何電流控制應用都可以通過在系統微控制器中比較電流與參考值，從而實現過流檢測，但工業電機控制和 DC/DC 轉換器等應用可能需要高速過流保護以避免損壞下游元器件。
圖 3 顯示具有獨立高速保護電路的電流控制系統。 Analog Devices 的 AD8211 可放大分流電阻器兩端的電壓并提供控制回路的反饋信號。 該器件可抑制高達 65 V 的共模電壓并提供接地參考的緩沖輸出，適用于連接至模數轉換器 (ADC)。
圖 3： AD8211 和 AD8214 組合在一起形成電流監控和檢測系統，可以在不到 100 ns 內響應過流情況。 （圖片由 Analog Devices Inc. 提供）
保護功能由另一 Analog Devices 元器件 AD8214 提供。 這是一款響應快速、共模電壓高的電流分流比較器，可以在 100 ns 內迅速提供過流檢測信號。 AD8214 有內置齊納穩壓器，使其工作電壓可高達 65 V。
故障來源
對于低電流應用，可以盡量降低成本并使用標準功率電阻器作為分流器來測量電流，但分流器的容差會直接影響過流檢測的精度。 大電阻值可以提高信號幅值，但也會產生較多熱量并引致成本增加，因為可能需要增加散熱器或其他熱量管理方法。
如果分流電阻器要用作控制系統的一部分（如圖 3 所示），電壓信號將有較大動態范圍，因此低容差和低電阻溫度系數 (TCR) 的精密電阻器是首選。
基于 Rds(ON) 的電流檢測
檢測過流情況的另一方法是去除分流電阻器，使用功率 MOSFET 作為檢測器件。 圖 4 顯示 Infineon AUIR3200S MOSFET 驅動器，其中包括短路保護功能。
圖 4： AUIR3200S 是集成了過流檢測和溫度補償的 MOSFET 驅動器。 （圖片由 Infineon Technology 提供）
該器件檢測電源 FET 上的壓降，這個值是 FET 的負載電流和 RDS(ON) 的函數。 MOSFET 打開時，源 VS 上的電壓按下式得出：
VS 是 AUIR3200S 源引腳 (S) 的輸入，與基準電壓 VDS 進行比較。
IVDS 通過內置電流源設置為 1 mA，以使 RVDS 有效確定 VDS 的值。 VBAT 可能會有不同，特別是在汽車應用中，但不會影響兩個電壓的比較。
過流時，VS 超出 VDS，這種情況會觸發內置比較器并關閉 MOSFET。
為減少錯誤，應該為 RVDS 選擇低容差值。 功率 MOSFET 的 RDS(ON) 值對漏電流相對不敏感，但會隨著結溫 (TJ) 的升高而升高。 為進行補償，AUIR3200S 的 IVDS 電流源內設計了正溫度系數。 請注意，AUIR3200S 應該盡可能靠近 MOSFET 安裝以使兩個器件的溫度相等。
高電流應用中的直接測量
對于高電流應用，分流電阻器可能因為增加的熱量過多而不能應用，特別是在汽車引擎蓋模塊等高溫環境下。 在這些情況下，可以采用均流 MOSFET 解決方案，實現低成本電流測量。
均流 MOSFET 如何工作？ 現代功率 MOSFET 包括數千個相同的并聯晶體管單元，以最大限度地降低總導通電阻 (RDS(ON))。 電流檢測 MOSFET 使用這些并聯單元的一小部分來形成與功率器件隔離的另一個低功耗 MOSFET（也稱為 senseFET），它有一個共柵極和漏極，但有一個獨立源會被引出后作為 SENSE 引腳。 圖 5 所示為等效電路。
圖 5： 可用于在高電流應用中進行直接檢測的電流檢測 MOSFET 等效電路。 （圖片由 NXP Semiconductors 提供）
當主功率晶體管打開時，SENSE 引腳輸出電流 ISENSE，它與主電流 Iload 成比例：通常比率為 1:500 或 0.2%。
圖 6 顯示用于電流檢測 MOSFET 的典型電路。 一個雙運算放大器電路將 ISENSE 轉換為系統微控制器的電壓輸入。
圖 6： 均流 MOSFET 到系統微控制器的連接。 （圖片由 NXP Semiconductors 提供）
IXYS 的 IXTN660N04T4 便是用于高電流應用的 N 溝道電流檢測 FET 的一個實例。 該器件可處理高達 660 A 的漏電流。
電流監控電路的準確度取決于 RSENSE 的容差，但對于保險絲替代應用，5% 到 10% 都足以滿足需求。 典型的電流檢測 FET 的檢測輸出有 ±5% 波動，但此性能足以滿足過流或短路情況需求。 圖 6 中的電流信號 VOUT 實質上是模擬信號，并連接到模數轉換器 (ADC) 輸入端，但外部電路可輕松修改以生成數字過流信號。
結論
對于過流和短路保護，除保險絲外設計人員有很多選項。 雖然增加復雜度可能會提升 BOM 成本，但從總擁有成本 (TCO) 考慮，成本增加是值得的，并有可能降低產品整個生命周期的總成本。
