改進低值分流電阻的焊盤 布局，優(yōu)化高電流檢測精度

作者：Marcus O’Sullivan

簡介

電流檢測電阻有多種形狀和尺寸可供選擇，用于測量諸多汽車、功率控制和工業(yè)系統(tǒng)中的電流。使用極低值電阻（幾 m?或以下）時，焊料的電阻將在檢測元件電阻中占據(jù)很大比例，結(jié)果大幅增加測量誤差。高精度應(yīng)用通常使用 4 引腳電阻和開爾文檢測技術(shù)以減少這種誤差，但是這些專用電阻卻可能十分昂貴。另外，在測量大電流時，電阻焊盤的尺寸和設(shè)計在確定檢測精度方面起著關(guān)鍵作用。本文將描述一種替代方案，該方案采用一種標準的低成本雙焊盤檢測電阻（4 焊盤布局）以實現(xiàn)高精度開爾文檢測。圖 1 所示為用于確定五種不同布局所致誤差的測試板。

電流檢測電阻

采用 2512 封裝的常用電流檢測電阻的電阻值最低可達 0.5m?，其最大功耗可能達 3 W。為了展現(xiàn)最差條件下的誤差，這些試驗采用一個 0.5 m?、3 W電阻，其容差為 1%（型號：ULRG3-2512-0M50-FLFSLT；制造商：Welwyn/TTelectronics）。

其尺寸和標準 4 線封裝如圖 2 所示。

傳統(tǒng)封裝

對于開爾文檢測，必須將標準雙線封裝焊盤進行拆分，以便為系統(tǒng)電流和檢測電流提供獨立的路徑。圖 3 顯示了此類布局的一個例子。系統(tǒng)電流用紅色箭頭表示的路徑。如果使用一種簡單的雙焊盤布局，則總電阻為：

為了避免增加電阻，需要把電壓檢測走線正確的布局到檢測電阻焊盤處。系統(tǒng)電流將在上部焊點導致顯著的壓降，但檢測電流則會在下部焊點導致可以忽略不計的壓降?？梢姡@種焊盤分離方案可以消除測量中的焊點電阻，從而提高系統(tǒng)的總體精度。

優(yōu)化開爾文封裝

圖 3 所示布局是對標準雙焊盤方案的一種顯著的改進，但是，在使用極低值電阻（0.5 m? 或以下）時，焊盤上檢測點的物理位置以及流經(jīng)電阻的電流對稱性的影響將變得更加顯著。例如，ULRG3-2512-0M50-FLFSL 是一款固態(tài)金屬合金電阻，因此，電阻沿著焊盤每延伸一毫米，結(jié)果都會影響有效電阻。使用校準電流，通過比較五種定制封裝下的壓降，可以確定最佳檢測布局。

測試PCB板

圖 4 展示在測試 PCB 板上構(gòu)建的五種布局模式，分別標記為 A到 E。我們盡可能把走線布局到沿著檢測焊盤延伸的不同位置的測試點，表示為圖中的彩點。各個電阻封裝為：

A. 基于 2512 建議封裝的標準 4 線電阻（見圖 2(b)）。檢測點對（X 和 Y）位于焊盤外緣和內(nèi)緣（x 軸）。
B. 類似于 A，但焊盤向內(nèi)延伸較長，以便更好地覆蓋焊盤區(qū)（見圖 2(a)）。檢測點位于焊盤中心和末端。
C. 利用焊盤兩側(cè)以提供更對稱的系統(tǒng)電流通路。同時把檢測點移動到更中心的位置。檢測點位于焊盤中心和末端。
D. 與 C 類似，只是系統(tǒng)電流焊盤在最靠里的點接合。只使用了外部檢測點。
E. 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緣和內(nèi)緣。

在模板上涂抹焊料，并在回流爐中使用回流焊接。使用的是ULRG3-2512-0M50-FLFSLT 電阻。

測試步驟

測試設(shè)計如圖 5 所示。使 20 A 的校準電流通過各個電阻，同時使電阻保持在 25°C。在加載電流后 1 秒內(nèi)，測量產(chǎn)生的差分電壓，以防止電阻溫度升高 1°C 以上。同時監(jiān)控各個電阻的溫度，以確保測試結(jié)果均在 25°C 下測得。電流為 20 A 時，通過 0.5 m? 電阻的理想壓降為 10 mV。

測試結(jié)果

表 1 列出了采用圖 4 所示檢測焊盤位置測得的數(shù)據(jù)。

表 1. 測得電壓和誤差

*無開爾文檢測。對通過高電流主焊盤的電壓進行測量，以展示與焊料電阻相關(guān)的誤差。

觀察結(jié)果

1. 由于結(jié)果的可比較性以及各電阻偏差都在容限范圍之內(nèi)，所以得出封裝 C 和 D 的誤差最少。封裝 C 為首選封裝，因為它不大可能導致與元件放置容限相關(guān)的問題。
2. 在每一種情況下，電阻外端的檢測點提供的結(jié)果最準確。這表明，這些電阻是制造商根據(jù)電阻的總長度設(shè)計的。
3. 請注意，在未使用開爾文檢測時，焊料電阻相關(guān)誤差是 22%。這相當于約 0.144 m? 的焊料電阻。
4. 封裝 E 展示了不對稱焊盤布局的效應(yīng)。回流期間，元件通過大量焊料才能焊盤。應(yīng)避免這種封裝。

結(jié)論

根據(jù)前面所示結(jié)果，最佳封裝是 C，其預期測量誤差小于 1%。該封裝的建議尺寸如圖 6 所示。

Analog Dialogue 46-06 Back Burner, June (2012) 3檢測走線的布局也會影響測量精度。為了實現(xiàn)最高精度，應(yīng)在電阻邊緣測量檢測電壓。圖 7 所示建議布局采用通孔，把焊盤外邊緣布局到另一層，從而避免切割主電源層。

本文中的數(shù)據(jù)可能并不適用于所有電阻，而且結(jié)果可能因情況而異，具體取決于電阻的材質(zhì)和尺寸。應(yīng)該咨詢電阻制造商。用戶有責任確保封裝的布局尺寸和結(jié)構(gòu)均符合各項 SMT制造要求。對于因使用本封裝而可能導致的任何問題，ADI概不負責。

作者簡介

Marcus O’Sullivan [marcus.osullivan@analog.com]于 1999 年加盟ADI，目前是電源管理組的應(yīng)用工
程師。他畢業(yè)于利默里克大學，獲電子工程學士學位。