直流電流取樣架構與設計技巧解析

針對直流電流取樣的方法，如果依照電流感測的位置與架構來分類，主要可區分為以下四種方式：

1. 低側電流取樣（Low-side Current Sensing）

低側電流取樣的原理是將分流電阻放在負載與接地（GND）之間，量測其壓降來計算電流，其優點是設計簡單，輸出電壓接近地，便於運算放大器量測，精度高、成本低（使用一般運算放大器即可），且無共模電壓問題，缺點則是地線不再為純粹的系統接地（將導致「地彈跳」），會造成接地偏移，可能影響後級電路準確性或安全性，不適合高功率或需要電氣隔離的應用，適用於電池供電裝置、低壓直流馬達、小型電源模組等對系統地電位要求不高的場域。

低側電流取樣是最常見且成本最低的直流電流感測方案之一。雖然結構簡單，但在實際設計中仍有一些關鍵注意事項與設計技巧，否則可能造成精度下降、電路干擾，甚至錯誤保護動作。

低側電流取樣在設計上首先要注意分流電阻的選擇，其阻值大小要適中，阻值太大雖能增加電壓訊號，但會導致系統功率消耗與發熱增加，太小則感測訊號微弱，難以放大與精確讀取，常見的阻值選擇為1 mΩ ~ 100 mΩ。其次，功率額定要足夠，若電流大，需選擇大功率低阻值分流電阻，避免過熱或損壞，且其溫度係數低，電阻值隨溫度變化會影響電流計算準確度，建議選用低TCR（溫度係數）的金屬箔電阻或專用分流電阻。

在運算放大器的選擇與配置方面，共模電壓接近接地，應選擇軌到軌輸入的運算放大器，並注意低輸入失調電壓（<1 mV）與低輸入偏置電流，確保微弱訊號不失真，增益選擇要平衡精度與動態範圍，若後端ADC解析度有限，要選擇適當的增益（例如：10x、50x、100x）。

另一方面，接地與佈線要謹慎處理，避免高電流路徑與訊號路徑共用接地線，防止地電位浮動（將造成“地彈跳”），並將分流電阻與運算放大器的佈線儘可能靠近，避免雜訊干擾或佈線阻抗影響測量精度，分流電阻的Kelvin連接（四端測量），將有助於消除接觸電阻的影響。此外，在ESD與過電壓保護方面，若輸入接腳連接外部電流路徑，建議使用TVS 二極體或電阻隔離進行保護，避免突波損壞運算放大器。

低側電流取樣原理圖範例

以上圖的低側電流取樣原理圖為例，檢流電阻RS1的阻值是25mΩ，假設負載電流為1A，在RS1兩端的電壓差就是25mV，將採集到的電壓送到同相比例放大器TI OPA2365，根據電路參數得到放大倍數為21，RS1兩端的電壓乘以放大倍數，就是1A電流所對應的電壓值，把放大後的電壓訊號送入電壓跟隨器，電壓跟隨器透過高輸出阻抗和低輸出阻抗特性，實現訊號的緩衝，最後送入MCU的ADC輸入，透過轉換就可以得到實際的電流值。

2. 高側電流取樣（High-side Current Sensing）

高側電流取樣的原理是將分流電阻放在電源與負載之間，量測其壓降來推算電流，其優點是不會破壞接地參考點，安全性與系統穩定性更好，適用於需要保護或監測供電端的應用，以及電源模組保護、過電流監控等，缺點則是共模電壓高（接近電源），需要共模抑制比高的運算放大器或專用IC，且其成本較高（通常需高側電流感測放大器或隔離放大器），設計也較複雜，適用於車用電子（12V / 48V系統）、工業馬達驅動、DC/DC電源輸出端監控、BMS系統（電池電流監控）等場景。

當設計高側電流取樣電路時，雖然其接地參考不會干擾系統接地，但設計難度比低側取樣高，需要特別注意共模電壓、隔離安全性與感測精度。在設計高側電流取樣電路時，共模電壓的處理是設計關鍵，由於高側分流電阻位於負載與電源正極之間，會承受高於接地的共模電壓（Vcm），運算放大器或感測IC需具備高共模抑制比（CMRR），且共模輸入範圍須涵蓋至電源電壓，若Vbus = 12V，放大器輸入接腳需可承受12V共模，多數應用需要共模輸入範圍達0~26V或更高。

在分流電阻的配置與選擇方面，則與低側取樣相同，電阻的阻值需平衡精度與功率消耗，應優先選用低TCR（金屬箔或厚膜）分流電阻，通常會在分流電阻兩端使用Kelvin連接回到感測放大器，以減少電壓誤差。

在訊號轉換與放大技巧方面，高側訊號輸出常會高於MCU可讀範圍（例如輸出5V而MCU ADC只能讀3.3V），因此需使用電壓位準轉換器或選擇輸出範圍合適的感測器，若需雙向電流感測（如充電／放電），可選用具雙向偵測能力的放大器（如TI INA213）。

在高電壓應用場景中則有安全隔離需求，在馬達控制、太陽能變頻器或AC-DC系統中，高側電壓可能達數百伏特，若MCU與感測電路供電不共地，需採用隔離型感測器或隔離放大器，如隔離運算放大器（如AMC1200）或霍爾電流感測器。此外，還需注意雜訊抑制與濾波，建議在感測電阻輸出端與放大器輸入之間串接小阻值電阻（10~100Ω）與小電容（~nF）形成RC濾波器，以去除開關雜訊。

高側電流取樣原理圖範例

以上圖的高側電流取樣原理圖為例，檢流電阻RS2的阻值是25mΩ，這裡使用了一個電流檢測放大器ADI AD8418，它是一款高電壓、高解析度的電流檢測放大器，確定初始增益為20V/V，在整個溫度範圍內的最大增益誤差為±0.15%，緩衝輸出電壓可以直接與任何典型轉換器連接。對於高側電流檢測，還需要考慮共模電壓範圍，AD8418的共模電壓範圍在-2V至+70V，具有出色的共模抑制性能，能夠在取樣電阻上進行雙向或單向的電流檢測，適合各種汽車工業，包括馬達控制、電池管理、電磁閥控制等。假設該電路的設定負載電流為1A，在RS2兩端的電壓差就是25mV，AD8418的增益為20V，透過計算得出負載電路中電流增加1A，對應輸出增加0.5V，再將放大後的電壓訊號送入電壓跟隨器，最後再將訊號送入MCU的ADC輸入，透過計算就可以得到實際的電流值。

3. 整合式數位功率計（Digital Power Monitor / Power Meter IC）

整合式數位功率計的原理是使用內建ADC、計算單元的專用電流／功率監控IC，通常可同時量測電壓（V）、電流（I，透過內建或外部分流電阻），以得出功率值與能量（積分計算），常用的晶片如TI INA233、ADI ADE系列、Maxim MAX34407 等。

整合式數位功率計具有功能完整，整合ADC、放大器、I²C/SPI介面、能量累加邏輯，容易與MCU通訊，且精度高，部分具備自動校準、平均濾波功能，可同時取得電壓、電流、功率、能量等數位參數，以及節省電路板面積與設計工時的優點，可簡化系統設計並提升精度與診斷能力，但也有成本較高、設計需注意通訊協定與暫存器配置，並受限於內部ADC精度與反應速度，適用於中低速應用的缺點。適用場景包括智慧電表、伺服器電源、電池管理系統、IoT節點電源監控、工業與車用裝置電源監測等領域。

採用整合式數位功率計進行直流電流（及功率）取樣在電路設計時，首先要進行取樣點選擇（高側或低側），大多數數位功率計支援高側電流取樣，若系統接地端需保持純淨，建議選用高側量測，若選擇低側，需確認共模電壓可低至接近0V（接地）。

在分流電阻選型與佈局上，需根據最大電流與功率損耗選擇分流電阻的阻值，避免過度耗能，建議選用具低TCR、精密度高（1%或0.1%）的金屬箔電阻，使用Kelvin接法，避免電流線影響電壓感測精度。此外，在濾波與抗雜訊設計方面，功率計ADC取樣訊號容易受開關電源雜訊干擾，建議在分流（shunt）兩端加入低通RC濾波器，若為高電壓環境，應加設TVS保護或箝位電路。

在數位介面（I²C / SPI）的考量上，應根據主控制器（MCU或SoC）選擇支援介面，並注意I²C位址衝突問題，若多顆元件掛載，應考慮可定址（addressable）功能，若為工業或隔離式設計，可選配I²C/SPI隔離器（如TI ISO1540）。此外，還須考量電壓供應與參考電壓，功率計常需採用單電源供應（3.3V / 5V），以確保穩定性與低雜訊，避免影響ADC量測，某些元件支援外接參考電壓（Ref input）可提高量測一致性。

另一方面，還要考慮校正與軟體整合，某些IC支援內建自動校正（offset / gain），搭配MCU使用時，可在韌體內進行偏移校正（Offset trim）、增益校正（Gain trim）、能量累加時間基準設定。

整合式數位功率計的原理圖範例

以上圖的整合式數位功率計原理圖為例，採用了一個TI INA229，這是一款高精度、低功率消耗的整合式數位功率監測晶片，可以簡化系統的設計複雜度，外圍電路除了一個取樣電阻和幾個電容，沒有其他的元件，在使用時只需要配置好取樣電阻，然後透過SPI介面，就可以直接讀取電流、總線電壓、功率等參數，非常方便。這個電路的檢流電阻的阻值為10mΩ，假定負載電流為1A，在RS3兩端的電壓差就是10mV，這個訊號給到INA229，INA229就會根據配置計算出結果給到MCU。

4. 霍爾電流感測器（Hall Effect Current Sensor）

採用霍爾電流感測器來取樣的原理是利用霍爾效應檢測由電流產生的磁場，非接觸地量測電流值。可分為開環（Open-loop）霍爾感測器（無回授）、閉環（Closed-loop）霍爾感測器（具有磁通回授控制），例如ACS712、LEM、Allegro、Tamura等產品。霍爾電流感測器具有電氣隔離佳，適合高壓應用、大電流測量（幾十A到數百A）、無功率消耗熱損（不像分流電阻）、安裝方便，模組化封裝等優點，但也有靈敏度受溫度與磁場影響，需校準補償，響應速度慢於分流電阻方式，以及體積較大（尤其是大電流型號）、成本較高等缺點。適用於工業馬達控制、電動車馬達控制、太陽能變頻器、UPS系統、工業電源、充電樁、伺服器電源與電池管理系統（BMS）等場景。

採用霍爾電流感測器進行直流電流取樣，是非接觸式感測方式，能提供電氣隔離、安全、高精度的電流監控，其可量測直流、交流、脈衝與複合波形電流。在設計上首先要選擇適當的霍爾感測器類型，開環型具有快速反應、成本較低、體積小、功率消耗低的特性，適合用在中小電流，反應速度重要的應用（如馬達控制）；閉環型則具有精度高、線性度佳、溫度漂移小，但體積大的特性，適合用於高精度量測、回授控制、精密功率測量；IC型整合式（如Allegro、Melexis等）則有體積小、簡易安裝、訊號輸出線性化的優勢，適用於消費性電子、電動汽車、電池管理系統、小型電源系統。

接著應考量電流範圍與頻寬，確認應用最大電流（峰值與RMS），感測器應提供略高於最大預期電流的容差（例如：最大50A，選75A類型），若量測交流或高速PWM，需確認頻寬大於訊號頻率 x 2。在安裝與磁場隔離方面，霍爾感測器對外部磁場較為敏感，應避免接近高電流走線或磁性材料，可使用金屬遮罩或磁屏蔽片（如µ-metal）做雜訊抑制，設計時要確保導體經過感測窗口（穿孔型）或接觸感應區域（表面型）。

在訊號處理與放大方面，大多數霍爾感測器輸出為類比電壓或比例電壓，因此若需接入MCU ADC，建議使用低漂移運算放大器以擴展動態範圍，若電源與感測輸出不共地，需使用差動放大器或隔離放大器。此外，在電源供應與雜訊考量上，需提供穩定且低雜訊電源（常為3.3V或5V），若系統中包含電感性負載（如馬達），建議加TVS與繞線濾波器，輸出可加RC濾波器平滑波形，提升ADC精度。在絕緣與安全距離（特別在工業／高電壓應用）上，應確保感測器本體提供足夠的隔離耐壓，留意PCB布局上的爬電距離與絕緣規範（如UL 60950、IEC 61010）。

霍爾電流感測器的原理圖範例

以上圖的霍爾電流感測器原理圖為例，採用了Allegro公司的一款整合式霍爾電流感測器，專為±50A、雙向直流／交流電流檢測設計，典型精度為±1%，適用於對穩定性要求高的工業和汽車場景，內部銅導體的電阻僅0.1mΩ，可降低功率損耗和發熱，高達4800Vrms絕緣耐壓，確保高電壓環境下的安全性。該元件在0電流時的輸出為1/2Vcc，電源電壓為3.3V，理論輸出為1.65V，當電源正向流動時，它的輸出向著Vcc靠近，當電流反向流動時，它的輸出向著0V靠近。

結語

直流電流取樣是電源監控與能量管理系統中不可或缺的一環，根據應用需求、電氣環境與精度要求，可選擇低側取樣、高側取樣、整合式數位功率計與霍爾電流感測器等不同架構。每種方案在設計上皆有其關鍵技巧與考量，例如：電壓共模能力、隔離安全性、溫度漂移穩定度與訊號雜訊抑制等。透過正確的取樣架構與元件選型，不僅能提升系統準確性與可靠性，更能有效掌握能源消耗與故障診斷資訊，為高效率與智慧化的電子系統設計奠定堅實基礎。

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