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电流测量的基本原理:第 1 部分 – 电流检测电阻器

作者:Steve Leibson

投稿人:Digi-Key 北美编辑

编者按:本系列文章包含两个部分,将介绍电流检测中容易忽视的细节。本文为第 1 部分,将讨论电流检测电阻的一般设置、选择和实现。第 2 部分将讨论相关电路,例如关键的模拟前端 (AFE) 和仪表放大器。

电流测量的基础知识

电流是用于评估、控制和诊断电子系统工作有效性的最常见参数之一。由于电流测量是一种非常常见的测量方式,因此如果设计师忽视了精确电流测量的细微差别,往往会遇到麻烦。

用于检测电流的最常见传感元件是置于电流路径中的低阻值精密电阻器。该电阻通常称为分流器,会在两端产生一个与通过它的电流成比例的电压。由于分流电阻器不应该显著影响电流,所以它通常非常小,阻值为毫欧级或不到一毫欧 (mΩ)。分流电阻器两端产生的电压因此也非常小,在被 ADC 转换之前通常需要放大。

结合这些因素,针对电流监控的常用信号链配置会涉及到一个用于放大分流电阻器两端电压的模拟前端、一个将放大的电压转换为数字表示的 ADC,以及一个系统控制器(图 1)。

分流电阻器示意图

图 1:测量电流的最简单方法是使用分流电阻器(最左侧),电阻器上产生的电压与流经它的电流成正例。为了使用完整的 ADC 测量范围,模拟前端 (AFE) 会放大分流电阻器两端的低电压。(图片来源:Texas Instruments)

AFE 通常使用运算放大器或专用电流检测放大器实现,将分流电阻器两端产生的小差分电压转换为更大的输出电压,以便使用完整的 ADC 测量范围。ADC 可以是独立器件,也可以是微控制器或片上系统 (SoC) 内的片载模块,可对电压信号进行数字化处理,并将结果信息提供给控制处理器。系统控制器使用电流的数字化测量结果来优化系统性能或实现安全协议,以防止在电流超过预设限值时损坏系统。

在将电流转换为电压的链路中,电阻器作为传感器元件,其任何物理特性(电阻、容差、功率容量、热系数和热电势)都会影响精度。因此,选择合适的分流电阻器对于优化电流测量至关重要。

分流电阻器两端产生的分流电阻值和相应电压会扰乱系统。例如,电阻太大的分流电阻器可降低用于驱动负载的电压,并导致不必要的损耗。

举个例子,当测量电机绕组的电流时,降低的电压会减少电机可用的电能,从而影响其能效和/或扭矩。此外,流经分流电阻器的大电流(数十或数百安培)将导致电阻器消耗大量电能,散发废热,使得测量精度和效率降低。出于以上原因,分流电阻器应尽可能小。

挑选用于测量电流的分流电阻器

由于分流电阻器会因负载电流流过而消耗电能,因此它们的电阻值需要非常低。此外,为实现测量稳定性,电流检测电阻还应具有非常低的电阻温度系数 (TCR)。低 TCR 将有益于实现高测量精度,且受温度影响较小。

电流检测电阻的热电势是另一个重要特征。分流电阻器必须在宽电流范围内工作。当电流较低时,例如在睡眠或待机模式下的电池应用中,分流器的热电势会将测量误差电压增加到流经电阻器的电流所产生的电压。该误差电压应显著低于流经分流电阻器的目标电流产生的最低预期电压,从而最大限度减小测量误差。

用于电流检测应用的分流电阻器提供两个或四个端子。带有两个端子的分流电阻器最容易理解,因为它的工作方式与任何双端子电阻器的工作方式相同。电流通过双端子分流电阻器,会在其端子上产生一个与通过电阻器的电流成正比例的电压。

双端子分流电阻器的示例包括 Bourns CSS2 分流电阻器系列和 Vishay WSLP 分流电阻器系列。Bourns CSS2 系列包括额定功率为 2 至 15 W 的分流电阻器,电阻介于 0.2 至 5 mΩ,最大额定电流介于 140 至 273 A。该系列中的典型器件 CSS2H-2512R-L500F 采用 2512 表面贴装封装,电阻为 0.5 mΩ,额定功率为 6 W。

Vishay 的 WSLP 分流电阻器系列具有不同的表面贴装封装类型,封装尺寸从 0603 至 2512 不等,额定功率为 0.4 至 3 W,电阻为 0.5 mΩ 至 0.1 Ω,电阻容差为 0.5% 或 1%。WSLP1206R0150FEA 就是一个典型的 Vishay 分流电阻器,它采用 1206 封装,电阻为 15 mΩ,容差为 1%,额定功率为 1 W。

请注意,这些表面贴装技术 (SMT) 分流电阻器较小,需要的电路板空间很小,但由于它们的发热量很大,因此应远离热敏元件。

一个分流电阻器中三个电阻

分流电阻器并不像其外表看起来那么简单。具体而言,分流电阻器的电阻实际上由三个电阻组成(图 2)。首先,分流电阻器本身有电阻。其次,分流电阻器引线和分流电阻器连接的印刷电路板上的引线也有电阻。通常这些引线电阻不明显,但是分流电阻器的电阻值通常非常低。在高电流测量中,即使很小的引线电阻也会引入测量误差,因为制造商的分流电阻器电阻规格中并未考虑这些电阻。

双端子分流电阻器有三个串联电阻示意图

图 2:双端子分流电阻器有三个串联电阻:实际分流电阻器的电阻、电阻器两根引线的电阻以及电阻器连接的印刷电路板上的引线或印制线的电阻(未显示)。引线电阻可能在高电流测量中导致测量误差。(图片来源:Bourns)

避免外部引线电阻引起测量误差的一种方法是,通过在双端子分流电阻器上部署单独检测印制线来建立开尔文连接(图 3)。

双端子电流检测电阻器开尔文连接示意图

图 3:双端电流检测电阻器的开尔文连接可减少电阻器和电路板引线电阻引起的测量误差。右侧显示的是双端子分流电阻器实例图像。(图片来源:Bourns)

在此配置中,大的电路板印制线承载分流电阻器的电流输入和输出。小的多的印制线则不在主电流中,但尽可能靠近分流电阻器的电阻元件,截取分流电阻器两端的电压并将该电压传送到 AFE。将载流端子与检测端子分开,即形成开尔文连接。

使用双端子分流电阻器的开尔文连接的结果示意图表示如图 4 所示。

双端子分流电阻器开尔文连接示意图

图 4:使用到双端子分流电阻器的开尔文连接,将电压检测线路与主电流路径分离,从而对分流电阻器实现更精确的电压测量。(图片来源:Bourns)

流经图 4 所示的两个检测电阻的电流非常小,因为它们连接到放大器或 ADC 的高阻抗输入端,这使其电阻远不如承载分流电阻器输入和输出高电流的引线电阻值重要。因此,检测电阻上的电压降非常小,不构成电流测量的重要误差源。

两个端子还是四个?

从图 3 中的印刷电路板布局图中可以看出,即使使用开尔文连接,也不可能完全消除双端子分流电阻器中的引线电阻。当分流电阻器放置并焊接到电路板上时,需要有一些焊盘布局公差以容纳定位误差。

此外,印刷电路板铜印制线的 TCR(3900 ppm/ ̊C)远高于分流电阻器阻性元件的 TCR(通常低于 50 ppm/ ̊C)。 这些参数差异导致电路板印制线中的电阻变化远高于电流检测电阻器的变化,使得检测电路受温度影响较大。

当使用具有开尔文连接的双端子分流电阻器时,对于涉及极高电流的许多电流检测应用来说,精度可能不足。对于此类应用,制造商提供带有四个端子的分流电阻器,在电阻器内实现开尔文连接。通过采用该电阻器,制造商可以完全控制与开尔文连接相关的所有公差和温度系数(图 5)。

四端子分流电阻器实现高精度开尔文连接示意图

图 5:四端子分流电阻器实现高精度开尔文连接,检测连接紧邻分流电阻器。右侧显示的是四端子分流电阻器实例图像。(图片来源:Bourns)

采用开尔文连接的四端子电流检测电阻器采用适合电阻器高电流和电压测量的独立端接,有助于提高测量精度。此外,与使用电路板布局实现开尔文连接的双端子分流电阻器相比,使用带有内置开尔文连接的四端子分流电阻器可以提高温度稳定性,从而降低 TCR 影响。

Bourns 在其 CSS4 系列表面贴装器件中提供了几种四端子分流电阻器(图 6)。

Bourns 的 CSS4 表面贴装分流电阻器示意图

图 6:Bourns 的 CSS4 表面贴装分流电阻器采用四端子开尔文连接,以最大限度地提高电流测量精度。(图片来源:Bourns)

Bourns CSS4 系列的代表产品包括容差 1%、5 W、0.5 mΩ 的 CSS4J-4026R-L500F 和容差 1%、4 W,2 mΩ 的 CSS4J-4026K-2L00F 分流电阻器。这两款器件均具有低 TCR、低热电势以及小于 10 mm x 7 mm 的物理封装尺寸。

总结

测量电流的第一步是将电流转换为更易于测量的电压参数。分流电阻器是完成此任务的高性价比元件。但是,如文中所述,分流电阻器的阻抗值应该很低,以最大限度地减少其对电路的影响,并最大限度地降低电阻器本身的功率耗散。

分流电阻器的其他重要参数包括 TCR 和热电势,这两者都会显著影响电流测量精度。

最后,为了最大限度地提高测量精度,确保高电流经由检测路径流经电流检测电阻器,这一点至关重要,方法是使用特殊印刷电路布局为双端子电流检测电阻创建开尔文连接,或使用四端子电流检测电阻。

由于低电阻值意味着电流检测电阻上产生的电压很小,本系列文章的第 2 部分将讨论如何设计将低电压放大为更大电压的 AFE 的考虑因素,以使电压更易被 ADC 测量。

参考资料:

  1. Pini, A. (2018)。有效选择并应用电流检测放大器以更好地管理电源。Digi-Key 文库

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