電阻電流檢測(cè)的基本原理 - 全文

電流檢測(cè)電阻，也稱為分流器，為人所知已有數(shù)十年之久。但是，目前電阻的應(yīng)用已不局限于以往的狹窄范圍，阻值極低并幾乎沒有誤差的電阻和非常精確的檢測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。為研發(fā)人員開辟了十年前無法想象的應(yīng)用領(lǐng)域。

車輛驅(qū)動(dòng)的控制和調(diào)節(jié)大多要求工作電流在1-100A之間，在特殊情況下（例如，氧傳感器預(yù)熱），短時(shí)間內(nèi)要求2-300A的電流，車輛啟動(dòng)時(shí)電流可達(dá)到1500A。在電池和電源管理系統(tǒng)中，還有更為極端的情況：車輛運(yùn)行中，持續(xù)電流為100-300A；而在靜止?fàn)顟B(tài)下，電流只有幾毫安，所有這些都必須精確檢測(cè)出來。

在最小的空間實(shí)現(xiàn)最佳的檢測(cè)結(jié)果是汽車行業(yè)對(duì)汽車電子系統(tǒng)最常見的要求之一。這正是分流器技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。但是，由于電阻本身結(jié)構(gòu)和電阻材料會(huì)導(dǎo)致電阻在實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生完全不同的效果，僅僅通過比較數(shù)據(jù)表還無法找到合適的電阻。以下將通過計(jì)算示例描述一些實(shí)現(xiàn)最佳設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。

電阻電流檢測(cè)的基本原理

根據(jù)歐姆定律，在檢測(cè)通過電阻的電流時(shí)，電勢(shì)差被作為電流檢測(cè)的直接檢測(cè)值。毫無疑問，用高于1Ohm的電阻可以檢測(cè)數(shù)百毫安的電流。但如果電流達(dá)10-20安培，情況就完全不同了，因?yàn)殡娮柚械墓?P=R*I²)就無法忽略了。雖然可以嘗試通過降低電阻阻值來限制功耗，但由于檢測(cè)的電壓也同時(shí)相應(yīng)降低，檢測(cè)的阻值往往會(huì)受到估值分辨率和精度的限制。

通常，電阻兩端的檢測(cè)電壓可由以下公式得出：

U=R*I+Uth+Uind+Uiext+......
Uth=熱電動(dòng)勢(shì)
Uind=感應(yīng)電壓
Uiext=端口引線壓降

上述情況，與電流無關(guān)的因素引起的誤差電壓會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果，因此設(shè)計(jì)人員必須清楚了解這個(gè)原因，并且應(yīng)通過合理的布線設(shè)計(jì)尤其是通過選擇合適的電阻來最大程度降低電壓誤差造成的影響。

雖然任何導(dǎo)電材料都可以用來制作電阻。但是這樣的元器件根本不適合用于電流采樣，原因是：電阻值受溫度、時(shí)間、電壓、頻率等眾多參數(shù)的影響。

R=R(T，t，P，Hz，U，A，μ，p，....)

理想的完全不受以上參數(shù)影響的電流檢測(cè)電阻是不存在的，那么實(shí)際的電阻可通過下文表格中所列的特性參數(shù)，例如電阻溫度系數(shù)、長(zhǎng)期穩(wěn)定性、熱電動(dòng)勢(shì)、功率負(fù)荷、電感、線性度等來表述。

其中的部分特性本質(zhì)上取決于材料，其它一些特性受元器件設(shè)計(jì)的影響，再有一些特性由生產(chǎn)工藝決定，如下表中所描述。

xxx=影響很大
xx=影響適中
x=影響很小，但值得注意

電阻合金

一百多年前（1889年），來自德國迪倫堡的IsabellenhütteHeusler公司（簡(jiǎn)稱伊薩公司）研制出了精密電阻錳鎳銅合金（Manganin），自這種合金問世以來，其優(yōu)異的特性奠定了精密檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)，例如也用于標(biāo)準(zhǔn)電阻器中。其他合金材料Isaohm和Zeranin以其132和29μOhm*cm的電阻率系數(shù)分別向上及向下補(bǔ)充和拓展了電阻率范圍。所有合金很大程度上滿足了電阻材料要求，并且成功地應(yīng)用了數(shù)年之久，而其中Manganin合金因在世界上廣泛的知名度承擔(dān)了特殊角色。

在過去25年，為了應(yīng)對(duì)基于磁場(chǎng)的電流檢測(cè)方法的發(fā)展，Isabellenhütte致力于通過對(duì)分流電阻的物理優(yōu)化更加廣泛的拓展了精確檢測(cè)電流的范圍。隨著補(bǔ)償、溫度系數(shù)和運(yùn)算放大器干擾信號(hào)得到一步步的改進(jìn)，所選的電阻值可以降低至毫歐范圍，從而很大程度上解決了大電流條件下的大功率損耗問題(P=R*I²)。但是，同時(shí)由于故障電壓（其中包括干擾、熱電動(dòng)勢(shì)等）導(dǎo)致相對(duì)誤差的極大增加，諸如低電感和低熱電動(dòng)勢(shì)等等的特性就極為重要。

在下面的內(nèi)容中，我們將簡(jiǎn)要討論一些最重要的技術(shù)參數(shù)。

溫度系數(shù)(TCR)

圖表顯示的是Manganin電阻的典型拋物線溫度特性曲線。由于此特性僅由材料成分決定，因此可以生產(chǎn)具有極高可復(fù)制性和極低批次差異的電阻器。

溫度系數(shù)以ppm/K為單位，定義式如下：

TCR=(R(T)-R(T0))/R(T0)*1/(T-T0)=dR/R(T0)*1/R(T0)

其中，參考溫度T0的值通常是20°C或25°C。如果溫度曲線是與Manganin的曲線相似的彎曲曲線，則還必須給出用于檢測(cè)溫度系數(shù)的上限溫度，例如TCR(20-60)。低阻值范圍內(nèi)通常采用TCR值為幾百個(gè)ppm/K的厚膜技術(shù)電阻器。圖中紅色曲線表示TCR為200ppm/K的電阻的溫度特征，50°C的溫度變化就足以導(dǎo)致電阻值變化超出1%。這樣電阻器無法進(jìn)行精確的電流檢測(cè)。更極端的情況在PCB板上用蝕刻銅線作為電流檢測(cè)電阻器，由于銅的TCR值達(dá)到4000ppm/K（或0.4%/K），也就是說僅僅10°C的溫度變化都足以導(dǎo)致4%的阻值漂移。

熱電動(dòng)勢(shì)(Uth)

當(dāng)溫度輕微升高或者降低時(shí)，在不同材料的接觸面上會(huì)產(chǎn)生所謂的熱電動(dòng)勢(shì)，這種效應(yīng)對(duì)低阻值電阻的影響尤其值得關(guān)注，因?yàn)橥ǔＴ诖颂帣z測(cè)的電壓非常微小，所以微伏級(jí)的熱電動(dòng)勢(shì)能夠嚴(yán)重地影響檢測(cè)結(jié)果。

直到今天，在許多講義和教課書中電阻合金康銅（Konstantan）依舊是繞線和沖壓分流器的主要材料之一，盡管它具有良好的TCR，但其對(duì)銅的熱電勢(shì)高達(dá)40μV/K。由于10℃的溫差導(dǎo)致400μV的電壓誤差，使用1毫歐的分流電阻檢測(cè)4A電流，檢測(cè)結(jié)果誤差增大了10%。更為嚴(yán)重的是，假如考慮到電阻尺寸，經(jīng)常被忽略的珀?duì)柼?yīng)(Peltiereffect)可以通過接觸面之間的相互加熱或降溫作用，將溫差增大到20℃以上(非常極端的例子是電阻一端的焊接部位出現(xiàn)熔化)。即使檢測(cè)電路在恒定電流狀態(tài)下，由于珀?duì)柼?yīng)(Peltiereffect)而產(chǎn)生的溫差及溫差電動(dòng)勢(shì)也會(huì)導(dǎo)致較明顯的電流起伏。在切斷電源之后，溫差消失之前，仍然能夠明顯檢測(cè)到電流，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)格和阻值的不同，電流誤差能有幾個(gè)百分點(diǎn)或達(dá)到幾個(gè)安培。上面提到的精密電阻合金與銅在熱電動(dòng)勢(shì)方面完全匹配，上述的效應(yīng)可以完全被忽略，例如，0.3mOhm電阻器會(huì)在切斷100A的電流之后產(chǎn)生不到1μV的電壓（對(duì)應(yīng)于3mA的電流）。

長(zhǎng)期穩(wěn)定性

長(zhǎng)期穩(wěn)定性對(duì)于任何傳感器都極為重要，因?yàn)榧词乖谑褂脭?shù)年之后，用戶仍希望它能夠保持最初校準(zhǔn)的精度。這意味著電阻材料必須耐腐蝕，而且在使用壽命周期內(nèi)不得發(fā)生任何合金成分變化。介質(zhì)均勻的復(fù)合合金Manganin、Zeranin和Isaohm經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)腻憻头€(wěn)定處理從而達(dá)到熱力學(xué)基本狀態(tài)。這類的合金的穩(wěn)定性可以保持在ppm/年范圍內(nèi)，就像百余年來Isabellenhütte（伊薩公司）憑借其作為國際檢測(cè)定標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)電阻器向世人所展示和證實(shí)的一樣。

圖表中展示了在140°C溫度下工作超過1000小時(shí)的貼片電阻器的穩(wěn)定性曲線。大約-0.2%的輕微漂移是由于生產(chǎn)過程中微小變形所導(dǎo)致的柵格缺損的所引起的，并且說明元件進(jìn)一步趨于穩(wěn)定，也就是說穩(wěn)定性將變得更好。阻值漂移速度很大程度取決于溫度，因此溫度在+100℃時(shí)，這種漂移實(shí)際是檢測(cè)不出來的。

四端子連接技術(shù)

在低阻值電阻器的情況下端子及引線的影響是不能被忽略的，因此必須直接連接電阻材料兩端的附加端子來進(jìn)行電壓檢測(cè)。

示例說明有缺陷的電阻結(jié)構(gòu)和不恰當(dāng)?shù)牟季€設(shè)計(jì)會(huì)引起非常大的誤差。一個(gè)10mOhm兩端子繞線電阻，銅引線的電阻占據(jù)了總電阻的20%，而僅一小段4mm的銅引線便可使電阻產(chǎn)生100%的偏差。

盡管端子和引線的冗余電阻可以通過補(bǔ)償校準(zhǔn)來消除，但它對(duì)總電阻的溫度系數(shù)有著極大的影響。（如下圖所示）

盡管在本示例中，銅的比例極小，僅占2%（與上述示例中24%形成鮮明對(duì)比，TCR還是從接近零增至大約+80ppm/K。這意味著在產(chǎn)品規(guī)格書中給出所使用電阻材料TCR值的做法是絕對(duì)沒有價(jià)值的。

由電子束焊接的合成材料Cu-Manganin-Cu制造的電阻器實(shí)際上具有非常低的端子電阻，并且通過合適的布線設(shè)計(jì)，可以重新使用兩端子結(jié)構(gòu)電阻器，通過合理布板設(shè)計(jì)、焊接等實(shí)現(xiàn)四端子連接性能。但是，在設(shè)計(jì)布局過程中，務(wù)必注意電阻器中的電流通路不能觸及電壓連接線（電壓傳感線路）。如果可能，應(yīng)將傳感線路從電阻器內(nèi)部以微帶線的形式連接到端子。

高功率負(fù)荷

由于與銅相比，電阻材料的熱導(dǎo)性相對(duì)較弱，而且電阻器大多數(shù)使用厚度介于20-150μm之間的蝕刻結(jié)構(gòu)的合金箔，因此不可能通過電阻材料將功耗轉(zhuǎn)化成的熱量傳導(dǎo)到端子中。所以Isa-Plan系列電阻采用一種很薄的、導(dǎo)熱性強(qiáng)的粘合劑來將電阻合金箔粘在一種同樣具有良好導(dǎo)熱性的基板上（銅或鋁）。通過這種方式可以非常有效地將熱量通過基板和端子散發(fā)到外部，最終實(shí)現(xiàn)相對(duì)很低的熱內(nèi)阻（通常為10-30K/W）。

反過來，這種結(jié)構(gòu)的電阻可以在非常高的端子溫度下滿負(fù)荷工作，也就是說功率折減點(diǎn)在很高的溫度下才出現(xiàn)；同時(shí)電阻材料的最高溫度可以維持在較低水平，這就可以有效改善電阻的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和因溫度而引起的阻值變化。

使用復(fù)合材料的極低阻值電阻器，Manganin橫截面積及機(jī)械強(qiáng)度非常之大，以至于無需使用任何基板，這也就意味著電阻材料具有非常好的導(dǎo)熱性及相對(duì)低的熱內(nèi)阻。例如對(duì)于1毫歐的電阻，熱內(nèi)阻大約10K/W，對(duì)于100微歐的電阻，熱內(nèi)阻甚至只有1K/W。

低電感

目前的許多應(yīng)用中需要檢測(cè)和控制開關(guān)調(diào)制電流，因此分流器的寄生電感參數(shù)非常重要。表面貼裝電阻器的生產(chǎn)中采用特殊的低電感平面設(shè)計(jì)并選擇具有或不具有緊密相鄰的波形紋結(jié)構(gòu)。上面所提到的精密合金的抗磁性，金屬底板結(jié)構(gòu)以及四端子連接又進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了低電感。

但是，由于電壓取樣連接線和電阻器構(gòu)成了環(huán)狀的天線結(jié)構(gòu)，為了避免其間因電流通過產(chǎn)生的磁場(chǎng)和外圍磁場(chǎng)而形成的感應(yīng)電壓，需要特別強(qiáng)調(diào)要使電壓取樣的信號(hào)線圍成的區(qū)域越小越好，最理想的是條狀線設(shè)計(jì)。與放大器連接的兩條取樣信號(hào)線要設(shè)計(jì)得盡量靠近或者最好在PCB的不同層面之間平行布線，不合適的布局（紅線所示）的后果是，這種天線效應(yīng)會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)加大電阻的實(shí)際電感。

低阻值

盡管在高電流和低電阻時(shí)運(yùn)用了四端子設(shè)計(jì)，但例如實(shí)際中經(jīng)常被應(yīng)用的由Manganin合金帶直接沖壓而成的電阻器（如圖a）并不算是最佳方案，因?yàn)殡m然四端子電阻，其TCR和熱電動(dòng)勢(shì)比較好，但總電阻值高出實(shí)際測(cè)量阻值的2-3倍。

由此導(dǎo)致電阻比較高的功耗和溫升。此外，電阻器材料很難單以通過螺釘和焊接與銅連接，導(dǎo)致接觸面的電阻值加大，從而進(jìn)一步增加功耗。

通過由復(fù)合材料沖壓的電阻器很大程度上減少這些誤差。總電阻增加不到10%，客戶同樣可以使用認(rèn)可的銅-銅連接技術(shù)。

尺寸規(guī)格和應(yīng)用

出于成本和微型化的考慮，在汽車電子工業(yè)中，愈來愈廣泛的使用阻值從200μOhm起的表面貼裝（SMD）電阻，檢測(cè)高達(dá)100A的電流。下面將介紹一些電阻器的尺寸規(guī)格、特征和應(yīng)用示例。所有示例是兩端子設(shè)計(jì)，通過優(yōu)化物理結(jié)構(gòu)和合適的PCB板布線可以實(shí)現(xiàn)四端子技術(shù)的絕對(duì)精確檢測(cè)。

SMx系列：

這個(gè)系列產(chǎn)品使用銅底板，它同時(shí)具有非常好散熱性和良好電接觸。這使得Manganin的特性完全轉(zhuǎn)變?yōu)樵奶匦裕L(zhǎng)期穩(wěn)定性、持續(xù)抗脈沖及低電感。

應(yīng)用：
-汽油和柴油直噴系統(tǒng)
-變速箱控制
-車燈控制器
-車輛支路電流檢測(cè)系統(tǒng)
-發(fā)動(dòng)機(jī)管理模塊

BVx系列：

由復(fù)合材料沖壓而成的表面貼裝電阻器(ISA-Weld)用于大電流檢測(cè)，其安裝在PCB電路板、DCB或者M(jìn)IS基板或者焊接在沖擊柵欄。

應(yīng)用：

汽車領(lǐng)域用于電流檢測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在汽車領(lǐng)域眾多的應(yīng)用要求愈來愈高，既要非常動(dòng)態(tài)、準(zhǔn)確和用極高的分辨率精確采集數(shù)百安至一千安培以上電流同時(shí)要求對(duì)毫安級(jí)的電流檢測(cè)也保持非常好的分辨率和精度。這方面的示例有客車和卡車的電池和電源管理系統(tǒng)以及電動(dòng)和混合動(dòng)力車的電流檢測(cè)。

電流和電壓檢測(cè)模塊IVT-A包括完整的4通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和一個(gè)低阻值的用于檢測(cè)分流器上極低電壓的的電阻，它也具有16bit分辨率和許多特殊的功能，非常接近于理想的電流傳感器。一方面，它可以非常動(dòng)態(tài)、線性、高精度地檢測(cè)高達(dá)1500安的電流，另一方面，在低采樣頻率情況下，還能分辨出幾毫安電流。該模塊只需要5V/3mA的單電源即可工作，并且仍然可以檢測(cè)甚至低于其自身電源電壓的雙極信號(hào)。在電流檢測(cè)的同時(shí)，它也可以進(jìn)行電壓或溫度檢測(cè)。

通過應(yīng)用2μOhm的特殊電阻器，IVT-A系統(tǒng)甚至可以以低于1A的分辨率檢測(cè)高達(dá)10000A的電流，從而在迄今為止專屬于電流轉(zhuǎn)換器的領(lǐng)域中爭(zhēng)得一席之地。