电源系统输出端电压与电流监测电路工作原理分析

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电源系统输出端的电压与电流参数直接反映系统运行状态。


电压偏离额定值可能导致负载误动作或损坏，电流超出限额则意味过载或短路故障，若不能及时检测与干预，可能造成不可逆的硬件毁损，因此在电源输出端往往都有电压及电流监测电路。


现分别对电压及电流监测电路以示例形式做简要分析:



一、输出电压监测电路及其工作原理
如图示




本设计采用LMC6482双运放构建差分比例衰减电路实现输出电压检测。
电源输出端正极电压先经电阻R20与R17构成的分压网络进行比例取样，得到较低幅值的取样电压。该取样电压被送入LMC6482的同相输入端（+）。

运放与外围电阻构成完整的差分放大结构：输出端通过反馈电阻R14连接至反相输入端（-），形成闭环负反馈，以稳定增益并提升线性度。分压取样信号经差分放大后，其输出端串联电阻R10并接电容C10至地，组成一阶低通滤波器，用于滤除高频噪声和开关纹波，滤波后的电压信号送入MCU的ADC引脚进行量化采样。

MCU根据分压比与差分增益的乘积系数进行换算，即可还原输出电压的实际数值。采用差分拓扑的主要原因在于：分压节点处可能引入共模干扰，而差分结构仅放大正反相输入端的差值，对共模信号具有抑制作用，从而保证测量信号的信噪比和精度。

二、输出电流监测电路及其工作原理
如图示

输出电流检测同样依托LMC6482构成的差分放大电路，负载电流流过R8时，产生与电流成正比的的电压信号接至运放的同相输入端（+）。
反相输入端（-）通过电阻R12接地，其配合反馈网络设定差分增益。运放输出端通过反馈电阻R26接回反相输入端，构成闭环差分放大器结构。运放输出的放大电压信号经电阻R22与电容C32组成的RC低通滤波后，送入MCU的ADC。
与电压检测同理，采用差分结构在于：尽管采样电阻位于低端、共模电压较低，但微弱差分信号仍可能叠加地平面噪声，差分放大能有效提取真实压差。经放大滤波后的ADC数值，配合已知的差分增益与采样电阻值，即可解算出实际输出电流。
三、低端电流监测的典型电路示例及其工作原理

为进一步说明低端电流检测的通用原理，以LMV321单运放构成的实际电流监测电路为例进行解析。该电路中，NMOS功率管Q1作为开关或调整管，其源极串联采样电阻R8至地，即R8承担源极电流检测功能。R8上端（即源极节点）的电压信号被送至LMV321的同相输入端（+）。反相输入端（-）通过电阻R6接地，输出端与反相输入端之间跨接反馈电阻R3。电路利用运放的“虚短”与“虚断”特性实现电流-电压转换。
如图示


工作过程如下：
由于虚短特性，同相输入端电压近似等于反相输入端电压，而反相输入端电压又等于运放输出端电压经R3与R6分压后的结果（因虚断，反相输入端无电流流入）。设R8上端电压为V_sense = I * R8（I为源极电流），该电压直接接入同相端。根据同相比例放大器公式，运放输出电压V_out = V_sense * (1 + R3/R6)（实际推导需考虑R6接地，同相端电压即为V_sense）。由此，运放输出V_out与V_sense成固定比例关系，而V_sense与电流I成线性关系，因此V_out直接反映电流大小。

该电路之所以将采样电阻置于低端，是因为源极节点电位接近地电平，运放输入共模电压极低，无需高压耐受，且电路结构简洁、增益稳定。其局限性在于采样电阻的压降会影响负载地电平，但在很多低电压、低电流场合，该方法以最低成本和最高精度实现电流检测，因此被广泛采用。