Sensoriamento de Corrente Resistivo Low-Side vs High-Side: Escolhas Práticas de Design

Qual a diferença entre sensoriamento de corrente resistivo high-side e low-side? Este artigo explica o básico, bem como quando cada um é a escolha de design mais apropriada.

Muitas aplicações, como gerenciamento de energia, carregamento de bateria, controle de motor e proteção contra sobrecorrente, podem se beneficiar de sensoriamento de corrente resistivo. Existem duas opções para colocar um resistor de sensoriamento de corrente em série com uma carga: low-side e high-side current sensing.

Neste artigo, veremos estes dois arranjos e discutiremos suas vantagens e desvantagens básicas.

Sensoriamento de Corrente Resistivo

Sensoriamento de corrente resistivo é amplamente usado em montagens de circuito impresso ao lidar com níveis de corrente baixos a moderados. Com esta técnica, um resistor conhecido R_shunt é colocado em série com a carga e a tensão desenvolvida através do resistor é medida para determinar a corrente da carga. Isto é ilustrado na Figura 1.

Figura 1

Resistores de sensoriamento de corrente, também chamados shunt resistors ou simplesmente shunts, geralmente têm valores na faixa de miliohms. Para aplicações de corrente muito alta, o valor do resistor shunt pode ser até frações de miliohm para reduzir potência dissipada pelo resistor.

Note que mesmo com valores pequenos de resistor, a dissipação de potência do shunt pode ser problema, especialmente para aplicações de alta corrente. Por exemplo, com R=1 mΩ e I=100 A, a potência dissipada pelo resistor shunt é:

\[P = R \times I^2 = 0,001 \times 100^2 = 10 W\]

Um valor pequeno de resistor também leva a pequena queda de tensão através do resistor. Por isso um amplificador é necessário para converter a pequena tensão desenvolvida através do shunt resistor em tensão suficientemente grande adequada para circuitos upstream.

Discutiremos que, no high-side current sensing, o amplificador pode ter requisitos rigorosos em termos de especificação common-mode rejection ratio (CMRR).

Sensoriamento Low-Side e High-Side

Existem duas opções para colocar um resistor shunt em série com uma carga. Estes dois arranjos são referidos como métodos low-side e high-side current sensing e são representados na Figura 2.

Figura 2. (a) Sensoriamento de corrente low-side e (b) técnicas de high-side current sensing.

Na configuração low-side, o resistor de sensoriamento de corrente (R_shunt) é colocado entre o terminal de terra da fonte de alimentação e o terminal de terra da carga. Com o método high-side, o resistor shunt é colocado entre o terminal positivo da fonte de alimentação e a entrada de alimentação da carga.

Vamos ver quais são as vantagens e desvantagens de cada método.

High-Side Versus Low-Side Sensing: O Valor Common-Mode

Assuma que R_shunt=1 mΩ e I=100 A. Mesmo com esta grande corrente, a queda de tensão através do resistor shunt é apenas 100 mV. Portanto, o valor common-mode da tensão através de um resistor shunt low-side é apenas ligeiramente acima do potencial de terra. E, para a configuração high-side, o nível common-mode da tensão através do resistor shunt é muito próximo à tensão de alimentação da carga.

Como o amplificador usado no low-side current sensing lida com pequena tensão common-mode, ele não precisa ter high common-mode rejection ratio (CMRR). Common mode rejection ratio especifica quanta atenuação um amplificador exibe para sinal comum a ambas as entradas. Como o valor common-mode é quase zero para configuração low-side, o requisito CMRR do amplificador é significativamente relaxado e, consequentemente, configurações simples de amplificador podem ser usadas.

Figura 3 mostra amplificador básico que pode ser usado no low-side current sensing.

Figura 3

Neste exemplo, o amplificador consiste em um op-amp e dois resistores de ajuste de ganho R1 e R2. Note que esta é na verdade a configuração non-inverting de um op-amp. O esquemático mais familiar deste amplificador é mostrado abaixo:

Figura 4

A saída que é versão amplificada de V_shunt pode ser encontrada pela seguinte equação:

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

Por outro lado, um amplificador usado em high-side current sensing precisa lidar com grande tensão common-mode. O amplificador deve ter alto CMRR para prevenir que a grande entrada common-mode apareça na saída. É por isso que configurações especializadas de amplificador são necessárias para high-side current sensing. Estes amplificadores devem exibir alto CMRR e suportar faixa de common-mode de entrada até a tensão de alimentação da carga.

Vale mencionar que existem muitas aplicações de high-side current sensing, como aplicações de controle de motor 3-fases, onde a tensão de alimentação da carga é muito maior que a tensão de alimentação usada para o amplificador. Portanto, em configuração high-side sensing, o common-mode de entrada do amplificador geralmente precisa ser muito maior que sua tensão de alimentação — um requisito que torna o design do amplificador muito desafiador.

Método Low-Side Pode Causar Problemas de Ground Loop

Embora o método low-side sensing simplifique o design do amplificador, tem algumas desvantagens. Medição de corrente low-side coloca resistor adicional no caminho de terra. Portanto, o terra do circuito monitorado está em potencial ligeiramente superior ao terra do sistema. Isso pode se tornar problema para alguns circuitos analógicos.

Como o terra do circuito monitorado não está no mesmo potencial que outras cargas do sistema, pode haver problemas de ground loop levando a ruído audível, como um zumbido, ou até interferência com equipamentos próximos. Devido a esta limitação, low-side current sensing é geralmente usado em aplicações onde lidamos com uma carga isolada ou a carga não é sensível a ruído de terra. Controle de motor custo-sensível em aplicações como drones, furadeiras e serras alternativas tipicamente empregam low-side sensing para poder competir no espaço de mercado consumidor.

Método Low-Side Não Pode Detectar Falhas

Existem várias condições de falha que low-side current sensing não pode detectar. Figura 5 mostra exemplo onde curto ocorre entre a fonte de alimentação do circuito monitorado e o terra do sistema.

Figura 5

A corrente de falha, I_short, flui da tensão de barramento diretamente para o terra do sistema e não passa pelo resistor shunt. Portanto, a circuitaria de monitoramento de corrente não detectará esta condição de falha. Low-side current sensing também não pode detectar curto entre o terra do circuito monitorado e o terra do sistema (Figura 6).

Figura 6

No entanto, high-side current sensing pode detectar condições de falha que ocorrem downstream do resistor shunt. Isto é mostrado na Figura 7.

Figura 7

Neste caso, a corrente de falha passa pelo resistor shunt. Portanto, a circuitaria de medição de corrente pode detectar a condição de curto e disparar ação corretiva apropriada.

High-Side Current Sensing Pode Simplificar Fiação

Outra desvantagem do low-side current sensing é que dois fios são necessários para alimentar o circuito monitorado mesmo se o terra do sistema estiver disponível. Por exemplo, em aplicações automotivas, o chassis do carro serve como terra comum. Com o chassis no nível do terra do sistema, precisamos apenas de um fio para alimentar uma carga. Porém, se a corrente através da carga é monitorada pela técnica low-side measurement, o terra do sistema não pode ser usado e dois fios são necessários para a carga. Como a técnica high-side sensing usa o terra do sistema para a carga monitorada, não sofre desta limitação. É por isso que high-side sensing é mais adequado para aplicações automotivas.

No próximo artigo, examinaremos o esquemático na Figura 3 em maior detalhe. Veremos que esta estrutura também é suscetível a resistência de trilha de PCB e medição mais precisa pode ser feita por meio de amplificador diferencial.

Conclusão

A principal vantagem do low-side sensing é que configurações relativamente simples podem ser usadas para amplificar a tensão através do resistor shunt. No entanto, low-side current sensing é suscetível a perturbação de terra e não pode detectar condições de falha. Low-side current sensing é geralmente usado em aplicações de controle de motor custo-sensíveis que precisam competir no espaço de mercado consumidor.

Para ver lista completa dos meus artigos, por favor visite esta página.