通過改進低值分流電阻器的焊盤布局來優(yōu)化大電流檢測精度

電流檢測電阻器具有各種形狀和尺寸，用于測量許多汽車、電源控制和工業(yè)系統(tǒng)中的電流。當使用非常低值的電阻（幾毫歐或更?。r，焊料的電阻成為檢測元件電阻的很大一部分，并顯著增加測量誤差。高精度應用通常使用4端子電阻和開爾文檢測來降低這種誤差，但這些專用電阻可能很昂貴。此外，在測量大電流時，電阻焊盤的尺寸和設計在確定檢測精度方面起著至關重要的作用。本文介紹一種替代方法，該方法使用具有4焊盤布局的標準低成本2焊盤檢測電阻實現(xiàn)高精度開爾文檢測。圖1顯示了用于表征由五種不同布局引起的誤差的測試板。

圖1.檢測電阻布局測試PCB。

檢流電阻器

常用的檢流電阻提供低至 0.5 mΩ 的電阻值，采用 2512 外殼封裝，功耗高達 3 W。為了突出最壞情況下的誤差，這些實驗采用了一個0.5 mΩ、3 W電阻和1%容差（Welwyn/TTelectronics的部件號ULRG3-2512-0M50-FLFSLT）。其尺寸和標準4線基底面如圖2所示。

圖2.（a） ULRG3-2512-0M50-FLFSLT電阻器尺寸;（b） 標準 4 焊盤封裝。

傳統(tǒng)足跡

對于開爾文檢測，必須對標準2線封裝中的焊盤進行劃分，以便為系統(tǒng)電流和檢測電流提供單獨的路徑。圖 3 顯示了此類布局的示例。系統(tǒng)電流采用紅色箭頭所示的路徑。如果使用簡單的 2 焊盤布局，則總電阻為：

為避免額外的電阻，電壓檢測走線需要直接布線至檢測電阻焊盤。系統(tǒng)電流仍會導致上部焊點兩端的壓降顯著，但檢測電流將導致下部焊點兩端的壓降可以忽略不計。因此，這種分離焊盤方法消除了測量中的焊點電阻，提高了系統(tǒng)的總精度。

圖3.開爾文感應。

優(yōu)化開爾文足跡

圖3所示布局比標準2焊盤方法有了顯著改進，但對于極低值電阻（0.5 mΩ或更低），焊盤上檢測點的物理位置和流過電阻的電流對稱性變得更加重要。例如，ULRG3-2512-0M50-FLFSLT是一種固體金屬合金電阻器，因此沿焊盤的每一毫米電阻都會影響有效電阻。使用校準電流，通過比較五個自定義封裝的壓降來確定最佳檢測布局。

測試線路板

圖 4 顯示了在測試 PCB 上創(chuàng)建的五種布局模式，標記為 A 到 E。在可能的情況下，將跡線路由到沿傳感墊不同位置的測試點，如顏色編碼點所示。各個電阻器占位面積為：

標準 4 線電阻，基于 2512 推薦封裝（參見圖 2（b））。焊盤外邊緣和內邊緣（x 軸）的檢測點對（X 和 Y）。

與A類似，但焊盤向內拉長，以更好地覆蓋焊盤區(qū)域（見圖2（a））。感應點位于焊盤的中心和末端。

通過使用焊盤的兩側提供更對稱的系統(tǒng)電流。還將感知點移動到更中心的位置。感應點位于焊盤的中心和末端。

與C類似，但在最內側連接系統(tǒng)電流焊盤。僅使用外部感應點。

A 和 B 的混合體。系統(tǒng)電流流過較寬的焊盤，檢測電流流過較小的焊盤。檢測點位于焊盤的外邊緣和內邊緣。

圖4.測試PCB布局。

使用模板施加焊料并在回流爐中回流。使用了ULRG3-2512-0M50-FLFSLT電阻器。

測試程序

測試設置如圖 5 所示。20 A的校準電流通過每個電阻器，而電阻保持在25°C。 在使能負載電流后不到1秒內測量產生的差分電壓，以防止電阻溫度上升超過1°C。 監(jiān)測每個電阻器的溫度，以確保測試結果記錄在25°C。 20 A時，0.5 mΩ電阻兩端的理想壓降為10 mV。

圖5.測試設置。

測試結果

表1顯示了使用圖4所示檢測板位置的測量數(shù)據(jù)。

表 1.測量的電壓和誤差

觀察

封裝 C 和 D 的誤差最小，結果和變化在各個電阻容差范圍內相當。首選封裝 C，因為它不太可能引起與元件放置公差相關的問題。

電阻器外端的檢測點可在每種情況下提供最準確的結果。這表明電阻器的大小由制造商調整到整個長度。

請注意，在不使用開爾文檢測的情況下，與阻焊電阻相關的誤差為 22%。這是約0.144 mΩ的等效焊接電阻。

封裝 E 演示了不對稱焊盤布局的效果。在回流焊期間，元件被拉到焊料最多的焊盤上。應避免這種類型的足跡。

結論

根據(jù)所示結果，最佳封裝為C，預期測量誤差小于1%。該封裝的推薦尺寸如圖 6 所示。

圖6.最佳占地面積。

檢測跡線的布線也會對測量精度產生影響。為了達到最高精度，應在電阻的邊緣測量檢測電壓。圖7顯示了使用過孔將焊盤外邊緣布線到另一層的推薦布局，從而避免切割主電源層。

圖7.推薦的 PCB 走線布線。

本文中的數(shù)據(jù)可能不適用于所有電阻器，結果可能會有所不同，具體取決于電阻器的組成和尺寸。應咨詢電阻器制造商。用戶有責任確保封裝的布局尺寸和結構符合各個 SMT 制造要求。ADI公司對因使用此足跡而可能出現(xiàn)的任何問題不承擔任何責任。

審核編輯：郭婷