Pengukuran Arus Resistif Low-Side vs High-Side: Pilihan Desain Praktis

Apa perbedaan antara pengukuran arus resistif high-side dan low-side? Artikel ini menjelaskan dasar-dasar, serta kapan setiap opsi adalah pilihan desain yang lebih tepat.

Banyak aplikasi, seperti manajemen daya, pengisian baterai, kontrol motor, dan perlindungan arus berlebih, dapat mendapat manfaat dari pengukuran arus resistif. Ada dua opsi untuk menempatkan resistor pengukuran arus secara seri dengan beban: low-side dan high-side current sensing.

Dalam artikel ini, kami akan melihat kedua susunan ini dan membahas keuntungan serta kerugian dasar-dasarnya. 

 

Pengukuran Arus Resistif

Pengukuran arus resistif banyak digunakan pada rangkaian papan cetak ketika menangani tingkat arus rendah hingga sedang. Dengan teknik ini, resistor R_shunt yang diketahui ditempatkan secara seri dengan beban dan tegangan yang dihasilkan di seluruh resistor diukur untuk menentukan arus beban. Ini diilustrasikan dalam Gambar 1.

 

Gambar 1

 

Resistor pengukuran arus, juga disebut resistor shunt atau shunt, biasanya memiliki nilai dalam rentang miliohm. Untuk aplikasi arus sangat tinggi, nilai resistor shunt mungkin bahkan pecahan miliohm untuk mengurangi daya yang disipasi oleh resistor.

Perhatikan bahwa bahkan dengan nilai resistor kecil, dissipasi daya shunt dapat menjadi masalah, terutama untuk aplikasi arus tinggi. Misalnya, dengan R=1 mΩ dan I= 100 A, daya yang disipasi oleh resistor shunt adalah:

 

\[P = R \times I^2 = 0.001 \times 100^2 = 10 W\]

 

Nilai resistor kecil juga menghasilkan penurunan tegangan yang kecil di seluruh resistor. Itulah sebabnya diperlukan amplifier untuk mengubah tegangan kecil yang dihasilkan di seluruh resistor shunt menjadi tegangan yang cukup besar yang cocok untuk sirkuit inti.

Kami akan membahas bahwa, dalam high-side current sensing, amplifier dapat memiliki persyaratan yang ketat dalam hal rasio penolakan mode common (CMRR).

 

Low-Side dan High-Side Sensing

Ada dua opsi untuk menempatkan resistor shunt secara seri dengan beban. Dua susunan ini disebut metode low-side dan high-side current sensing dan digambarkan dalam Gambar 2. 

 

Gambar 2. (a) Teknik low-side current sensing dan (b) high-side current sensing.

 

Dalam konfigurasi low-side, resistor pengukuran arus (R_shunt) ditempatkan antara terminal ground sumber daya dan terminal ground beban. Dengan metode high-side, resistor shunt ditempatkan antara terminal positif sumber daya dan input suplai beban.

Mari kita lihat apa saja keuntungan dan kerugian dari setiap metode.

 

High-Side Versus Low-Side Sensing: Nilai Common-Mode

Asumsikan R_shunt=1 mΩ dan I= 100 A. Bahkan dengan arus besar ini, penurunan tegangan di seluruh resistor shunt hanya 100 mV. Oleh karena itu, nilai common-mode tegangan di seluruh resistor shunt low-side hanya sedikit di atas potensi ground. Dan, untuk konfigurasi high-side, level common-mode tegangan di seluruh resistor shunt sangat dekat dengan tegangan suplai beban.

Karena amplifier yang digunakan dalam low-side current sensing menangani nilai common-mode tegangan yang kecil, amplifier tidak perlu memiliki CMRR yang tinggi. Rasio penolakan mode common menentukan seberapa banyak attenuasi amplifier menunjukkan untuk sinyal yang sama pada kedua input amplifier. Karena nilai common-mode hampir nol untuk konfigurasi low-side current sensing, persyaratan CMRR amplifier sangat terlepas dan akibatnya, konfigurasi amplifier sederhana dapat digunakan.

Gambar 3 menunjukkan amplifier dasar yang dapat digunakan dalam low-side current sensing. 

Gambar 3

 

Dalam contoh ini, amplifier terdiri dari op-amp dan dua resistor pengaturan gain R1 dan R2. Perhatikan bahwa ini sebenarnya konfigurasi non-inverting dari op-amp. Skematik yang lebih familiar dari amplifier ini ditunjukkan di bawah:

 

Gambar 4

 

Output yang merupakan versi yang diferasikan dari V_shunt dapat ditemukan dengan persamaan berikut:

 

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

 

Di sisi lain, amplifier yang digunakan dalam high-side current sensing perlu menangani nilai common-mode tegangan yang besar. Amplifier harus memiliki CMRR yang tinggi untuk mencegah input common-mode besar muncul di output. Itulah sebabnya konfigurasi amplifier khusus diperlukan untuk high-side current sensing. Amplifier ini harus menunjukkan CMRR yang tinggi dan mendukung rentang common-mode input hingga tegangan suplai beban.

Penting untuk disebutkan bahwa ada banyak aplikasi high-side current sensing, seperti aplikasi kontrol motor 3-fase, di mana tegangan suplai beban jauh lebih besar dari tegangan suplai yang digunakan untuk amplifier. Oleh karena itu, dalam konfigurasi sensing high-side, input common-mode amplifier biasanya perlu jauh lebih besar dari tegangan suplainya—persyaratan yang membuat desain amplifier sangat menantang. 

 

Metode Low-Side Dapat Menyebabkan Masalah Ground Loop

Meskipun metode sensing low-side menyederhanakan desain amplifier, memiliki beberapa kerugian. Pengukuran arus low-side menempatkan resistor tambahan di jalur ground. Oleh karena itu, ground dari sirkuit yang dipantou berada pada potensi sedikit lebih tinggi dari ground sistem. Ini dapat menjadi masalah untuk beberapa sirkuit analog.

Karena ground dari sirkuit yang dipantou tidak berada pada potensi yang sama dengan beban lain dalam sistem, mungkin terjadi masalah ground loop yang mengakibatkan bising terdengar, seperti bunyi dengung, atau bahkan interferensi dengan peralatan di dekatnya. Akibat keterbatasan ini, low-side current sensing biasanya digunakan dalam aplikasi di mana kita menangani satu beban terisolasi atau beban tidak sensitif terhadap bising ground. Kontrol motor sensitif biaya dalam aplikasi seperti drone, bor, dan gergaji gerak balik biasanya menggunakan low-side sensing untuk dapat bersaing di ruang pasar konsumen. 

 

Metode Low-Side Tidak Dapat Mendeteksi Deteksi Gangguan

Ada berbagai kondisi gangguan yang tidak dapat terdeteksi oleh low-side current sensing. Gambar 5 menunjukkan contoh di mana terjadi pendek antara sumber daya sirkuit yang dipantou dan ground sistem. 

 

Gambar 5

 

Arus pendek, I_short, mengalir dari tegangan bus langsung ke ground sistem dan tidak melewati resistor shunt. Oleh karena itu, sirkuit pemantau arus tidak akan mendeteksi kondisi gangguan ini. Low-side current sensing juga tidak dapat mendeteksi pendek antara ground sirkuit yang dipantou dan ground sistem (Gambar 6).

 

Gambar 6

 

Namun, high-side current sensing dapat mendeteksi kondisi gangguan yang terjadi downstream dari resistor shunt. Ini ditunjukkan dalam Gambar 7.

 

Gambar 7

 

Dalam hal ini, arus pendek melewati resistor shunt. Oleh karena itu, sirkuit pengukuran arus dapat mendeteksi kondisi pendek dan memicu tindak lanjut korektif yang sesuai. 

 

High-Side Current Sensing Dapat Menyederhanakan Penghubungan

Kerugian lain dari low-side current sensing adalah dua kabel diperlukan untuk memberi daya pada sirkuit yang dipantou bahkan jika ground sistem tersedia. Misalnya, dalam aplikasi otomotif, chassis mobil berfungsi sebagai ground umum. Dengan chassis berada pada tingkat ground sistem, kita hanya membutuhkan satu kabel untuk memberi daya pada beban. Namun, jika arus melalui beban dipantou oleh teknik pengukuran low-side, ground sistem tidak dapat digunakan dan dua kabel diperlukan untuk beban. Karena teknik sensing high-side menggunakan ground sistem untuk beban yang dipantou, tidak menderita keterbatasan ini. Itulah sebabnya high-side sensing lebih cocok untuk aplikasi otomotif. 

Dalam artikel selanjutnya, kami akan memeriksa skematik dalam Gambar 3 dengan lebih detail. Kami akan melihat bahwa struktur ini juga rentan terhadap resistansi jejak PCB dan pengukuran yang lebih akurat dapat dilakukan dengan difference amplifier. 

 

Kesimpulan

Keuntungan utama sensing low-side adalah konfigurasi yang relatif sederhana dapat digunakan untuk diferasikan tegangan di seluruh resistor shunt. Namun, low-side current sensing rentan terhadap gangguan ground dan tidak dapat mendeteksi kondisi gangguan. Low-side current sensing biasanya digunakan dalam aplikasi kontrol motor sensitif biaya yang perlu dapat bersaing di ruang pasar konsumen.

Untuk melihat daftar lengkap artikel saya, kunjungi halaman ini.