ST 电流感应解决方案全面指南：原理、选型与应用实战

STMicroelectronics 电流感应方案以 “分流电阻 + 专用器件” 为核心，覆盖单向 / 双向测量、宽电压范围与多应用场景，通过运算放大器与集成电流监控器的丰富产品矩阵，平衡精度、功耗与易用性，是电机控制、电池管理、电源逆变器等场景的优选方案。

资料获取：【用户手册】电流检测快速参考指南

1. 电流感应核心工作原理

电流感应的本质是基于欧姆定律的电压采样与放大：

核心逻辑：在电流路径中串联小阻值分流电阻（Rshunt），电流流经时产生线性压降（V=IR），通过放大器 / 监控器放大该压降，最终由 ADC 采集并换算为实际电流。
关键约束：分流电阻会产生功耗（P=RI²），需在 “低功耗（小电阻）” 与 “测量精度（大电阻 + 高增益）” 间平衡。
核心目标：通过精准放大与噪声抑制，实现对目标电流的线性、快速测量。

2. 分流电阻安装位置与特性

分流电阻的安装位置决定了共模电压要求、电路复杂度与测量特性，三种主流布局各有适配场景：

2.1 高侧安装

安装位置：串联在电源轨上，电流传感器直接承受电源电压。
核心优势：无需切断接地，抗射频干扰，适用于机械限制或接地不可断的场景。
关键要求：需器件支持高输入共模电压，匹配电源轨电压等级。

2.2 直列安装（相电流感应）

安装位置：与负载（如电机）直接串联，又称相电流感应。
核心优势：可实时跟踪电流，适配双向电流测量需求。
关键要求：需耐受 H 桥开关带来的快速电压瞬变，器件需具备快速恢复能力。

2.3 低侧安装

安装位置：串联在地线上，共模电压接近 0V。
核心优势：可使用低压运算放大器，电路简单、成本更低，是主流选型。
关键局限：需切断接地线路，可能受地环路干扰。

3. 分流电阻选型关键方法

分流电阻的阻值与功率需根据实际电流范围精准计算，核心步骤如下：

明确核心参数：已知最大电流范围（单向为 Imax，双向为正负 Imax 累加）、器件最大输出电压（VoutMax）、放大增益（Gain）。
核心计算公式：

最大允许分流电阻：
最小允许功耗：
选型原则：
- 实际阻值需小于理论计算值，预留过电流测量余量，避免放大器饱和。
- 功耗冗余：所选电阻的额定功耗需大于计算值，应对电流峰值。
- 平衡 trade-off：小电阻→低功耗但需高增益，需匹配器件增益带宽乘积（GBP）确保响应速度。

4. ST 核心产品方案：运算放大器 vs 电流监控器

ST 提供两类核心器件，适配不同电压、精度与复杂度需求，产品矩阵覆盖从低压到 70V 高压场景：

4.1 产品类型对比

特性	运算放大器（如 TSV7721、TSZ181）	电流监控器（如 TSC2011、TSC103）
外部元件需求	需要额外配置电阻设定增益	无需外部元件（仅需分流电阻）
共模电压范围	通常≤36V，需匹配供电电压	最高达 70V，可超供电电压工作
设计灵活性	可自定义增益、滤波，适配复杂需求	固定增益，集成 EMI 滤波、PWM 抑制
核心优势	灵活性高，成本可控	易用性强，参数稳定，集成功能丰富
适用场景	低中压、定制化增益需求	高压、快速部署、高共模电压场景

4.2 关键产品系列与参数

运算放大器系列：
- TSV7721/7722：2.2-5.5V 供电，GBP 50MHz，Vio max 200µV，单 / 双通道可选。
- TSZ181/182：1.8-5.5V 低轨输入，GBP 22MHz，适配低压电池管理。
- TSB7191A/7192A：2.7-36V 宽压，Vio max 35µV，高精度适配工业场景。
电流监控器系列：
- TSC2011/2012：-0.3-26V，增益 x200/x500/x1000，Vio max 35µV，双向测量。
- TSC103/1031：2.9-70V 高压，增益 x50/x100，适配高侧高压场景。
- TSC214/215：带宽 600kHz，集成 PWM 抑制，适配电机控制快速响应需求。

5. 典型应用场景与方案选型

5.1 电池管理系统（BMS）

核心需求：双向测量、高精度、低功耗，感应速率要求较低。
推荐方案：高侧 / 低侧布局均可，选用高精度双向电流监控器（如 TSC2011） 或零漂移运算放大器（如 TSB7191A），确保充放电电流精准计量。

5.2 低压电机控制

核心需求：快速响应（适配 PWM 开关）、双向电流跟踪，分流功耗可适度妥协。
推荐方案：直列或高侧布局，选用高带宽电流监控器（如 TSC214） 或高速运算放大器（如 TSV7721），耐受电压瞬变。

5.3 功率逆变器（AC/DC、DC/DC）

核心需求：多位置测量（控制回路 + 输出监控），兼顾精度与稳定性。
推荐方案：低侧用运算放大器（如 TSZ181）实现控制回路采样，高侧用高压监控器（如 TSC103）实现输出功率监控。

6. 选型核心建议

按共模电压选类型：≤30V 选运算放大器（灵活），>30V 必选电流监控器（高压兼容）。
按电流方向选产品：单向测量可选 TSC101 系列，双向测量选 TSC2011/TSC214 系列。
按精度需求选参数：优先关注输入失调电压（Vio）与温漂（dVio/dT），高精度场景选 Vio≤50µV 的器件。
按响应速度选带宽：电机控制需 GBP≥20MHz 或带宽≥500kHz，BMS 可选用低带宽高精度器件。