电流检测

目标

• 用分流电阻（shunt）把电流转换为电压，并了解它给电路带来的代价。
• 在低侧（low side）和高侧（high side）之间为分流电阻选定位置。
• 用开尔文连接（Kelvin connection）使焊盘和焊点不计入读数。

理论

分流电阻

根据欧姆定律，分流电阻把电流转换为检测电压 [Alexander & Sadiku 2017, Ch. 2]：

$$V_\mathrm{SENSE} = I_\mathrm{SENSE} R_\mathrm{SENSE}$$

$V_\mathrm{SENSE}$

分流电阻两端的电压

$I_\mathrm{SENSE}$

流过分流电阻的电流

$R_\mathrm{SENSE}$

检测电阻（shunt）

电流检测电阻两端的电压✓ 经 7 项测试验证

假设、约定与出处

假设

• 分流电阻为线性电阻：阻值不随电流变化

备注

既是放大器看到的信号，也是负担电压，即分流电阻从被测电路中占去的电压；分流电阻耗散的功率为电流与该电压之积

出处

Alexander & Sadiku 2017, Ch. 2 (Basic Laws: Ohm's law)

推导

sympy 逐步推导

公式 id

sense.burden · equations.yaml 条目

该电压既是放大器的信号，也是负担电压（burden），即分流电阻从被测电路中占去的电压。分流电阻越大，信号越大，放大器失调所致误差的占比越小 [Texas Instruments 2023]，代价是负担电压更大、耗散更多（导通损耗）。

低侧还是高侧

在低侧，分流电阻位于接地回流路径（ground return）中，因此负载的地比电源的地高出一个检测电压。低侧检测适合能够容忍这种地电位扰动、对成本敏感的设计；不能容忍时，高侧检测更好 [Texas Instruments, System Trade-offs for High- and Low-side Current Measurements]。在高侧，分流电阻的两个端子都接近电源电压，因此放大器的输入端必须能承受这一电压：电流检测放大器的规格注明其适用于低侧、高侧或两侧 [Texas Instruments 2023]、[Analog Devices, LTC6101/LTC6101HV]。

焊盘、焊点与开尔文连接

分流电阻只有几毫欧或更小时，焊点电阻在检测元件的电阻中占相当大的比例，并增大测量误差 [O'Sullivan 2012]。若检测连接位于焊盘外侧，放大器检测到的是电流在分流电阻和焊盘上共同产生的电压，读数在任何电流下都偏高同一比例：

$$\varepsilon_\mathrm{pad} = \frac{R_\mathrm{pad}}{R_\mathrm{SENSE}}$$

$\varepsilon_\mathrm{pad}$

焊盘电阻引起的误差

$R_\mathrm{SENSE}$

检测电阻（shunt）

$R_\mathrm{pad}$

焊盘与焊点电阻

分流电阻检测路径中焊盘与焊点电阻引起的增益误差✓ 经 7 项测试验证

假设、约定与出处

假设

• 两端子分流电阻，其检测连接与负载电流共用焊盘和焊点（无开尔文连接）

备注

检测连接感受到的是电流流过 $R_\mathrm{SENSE} + R_\mathrm{pad}$ 产生的电压，因此读数偏高这一比例，且分流电阻阻值越小，该比例越大；开尔文连接将 $R_\mathrm{pad}$ 移出检测路径

出处

O'Sullivan 2012, solder resistance of milliohm shunts; Kelvin and split-pad sensing; derived here; Analog Devices, LTC6101/LTC6101HV, Kelvin connection of the inputs to the sense resistor

推导

sympy 逐步推导

公式 id

sense.pad_error · equations.yaml 条目

开尔文连接把焊盘移出检测路径：采用四端子分流电阻，或把两端子分流电阻装在四焊盘（分离焊盘，split-pad）布局上 [O'Sullivan 2012]。LTC6101 数据手册建议，除功率最低的应用外，检测电阻都应采用开尔文连接 [Analog Devices, LTC6101/LTC6101HV, Applications Information]。

放大器及其失调、输出范围和 ADC 之前的滤波器，在电流检测链工具中逐项计算。

例题

一个没有开尔文连接的小阻值分流电阻：

分流电阻示例

符号	数值	求法
$I_\mathrm{SENSE}$ 流过分流电阻的电流	10 A	已知
$R_\mathrm{SENSE}$ 检测电阻（shunt）	1 mΩ	已知
$R_\mathrm{pad}$ 焊盘与焊点电阻	100 µΩ	已知
$V_\mathrm{SENSE}$ 分流电阻两端的电压	10 mV	电流检测电阻两端的电压
$\varepsilon_\mathrm{pad}$ 焊盘电阻引起的误差	0.1	分流电阻检测路径中焊盘与焊点电阻引起的增益误差

在最大电流下，分流电阻也只产生 10 mV；检测路径中 100 µΩ 的焊盘和焊点使读数偏高 0.1。

动手试试

▶ 在公式浏览器中打开：分流电阻检测路径中焊盘与焊点电阻引起的增益误差
预设取自例题 bench-sense

扫描分流电阻的阻值：分流电阻越小，同样的焊盘所占的比例越大。开尔文连接在任何阻值下都使 $R_\mathrm{pad}$ 为零。

实验练习

让已知电流流过电路板上的一个低阻值分流电阻。测量其两端电压两次：一次在焊盘的外端，一次在分流电阻自身的端子（或其开尔文焊盘）上。将两次读数分别与电流和分流电阻标称阻值之积比较，并由差值估算焊盘电阻。然后把分流电阻从接地回流路径移到电源侧，观察负载的地：它不再随电流变动。

易错点

• 低侧分流电阻会抬高负载的地，抬高量为其检测电压 [Texas Instruments, System Trade-offs for High- and Low-side Current Measurements]：负载发送给以地为参考的电路的信号会随电流变动。
• 在焊盘外侧检测会把焊盘电阻加到分流电阻上，使每个读数都偏高一个固定比例 [O'Sullivan 2012]（焊盘误差）。
• 高侧分流电阻使放大器的输入端处于电源电压：应选用规格适用于高侧检测的放大器 [Texas Instruments 2023]。

延伸阅读

• 技术文章 System Trade-offs for High- and Low-side Current Measurements (SSZTA51) — Texas Instruments · 访问于 2026-09-24
  简要比较将分流电阻置于接地回路与置于电源侧的差异。
• 技术文章 Optimize High-Current Sensing Accuracy by Improving Pad Layout of Low-Value Shunt Resistors (Analog Dialogue 46-06) — M. O'Sullivan, Analog Devices · 访问于 2026-09-24
  低阻值分流电阻的焊锡如何计入读数，以及将其排除在外的四焊盘布局。

测验

1. 2 milliohm 的分流电阻中流过 5 A 电流。其检测电压是多少？

   1. 2.5 mV
   2. 10 mV
   3. 100 mV
   4. 0.4 mV
   答案与解析

   正确答案：B 欧姆定律：5 A 乘以 2 milliohm。

2. 分流电阻的负担电压（burden）是什么？

   1. 其额定功率
   2. 放大器的失调
   3. 它从被测电路中占去的电压，即其检测电压
   4. ADC 的误差
   答案与解析

   正确答案：C 检测电压既是信号，也是被测电路在分流电阻上损失的电压。

3. 低侧分流电阻对负载有什么影响？

   1. 使负载的电源电压升高
   2. 没有影响：分流电阻位于接地回流路径中
   3. 使负载与地隔离
   4. 使负载的地比电源的地高出一个检测电压
   答案与解析

   正确答案：D 接地回流路径经过分流电阻，因此负载的地随电流变动。

4. 什么情况下高侧检测更好？

   1. 最低成本最重要时
   2. 电流很小时
   3. 负载的地不允许变动时
   4. 从不：低侧检测总是更好
   答案与解析

   正确答案：C 高侧检测使分流电阻不在接地回流路径中，代价是放大器须工作在电源电压下。

5. 在焊盘外侧检测一个 1 milliohm 的分流电阻，焊盘增加了 0.05 milliohm。读数偏差多少？

   1. 偏低 5 %
   2. 在任何电流下都偏高 5 %
   3. 偏高 0.05 %
   4. 取决于电流
   答案与解析

   正确答案：B 偏差为焊盘电阻与分流电阻之比，在任何电流下都相同。

6. 开尔文连接（Kelvin connection）有什么作用？

   1. 降低分流电阻的阻值
   2. 抵消放大器的失调
   3. 滤除开关噪声
   4. 在分流电阻自身的端子上检测电压，使焊盘和焊点不计入读数
   答案与解析

   正确答案：D 单独的检测连接几乎不流过电流，因此焊盘电阻上的压降不会进入读数。