电阻电流检测的基本原理

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电流检测电阻,也称为分流器,为人所知已有数十年之久。但是,目前电阻的应用已不局限于以往的狭窄范围,阻值极低并几乎没有误差的电阻和非常精确的检测数据采集系统。为研发人员开辟了十年前无法想象的应用领域。

车辆驱动的控制和调节大多要求工作电流在1-100A之间,在特殊情况下(例如,氧传感器预热),短时间内要求2-300A的电流,车辆启动时电流可达到1500A。在电池和电源管理系统中,还有更为极端的情况:车辆运行中,持续电流为100-300A;而在静止状态下,电流只有几毫安,所有这些都必须精确检测出来。

在最小的空间实现最佳的检测结果是汽车行业对汽车电子系统最常见的要求之一。这正是分流器技术的优势。但是,由于电阻本身结构和电阻材料会导致电阻在实际应用中产生完全不同的效果,仅仅通过比较数据表还无法找到合适的电阻。以下将通过计算示例描述一些实现最佳设计的重要参数。

电阻电流检测的基本原理

根据欧姆定律,在检测通过电阻的电流时,电势差被作为电流检测的直接检测值。毫无疑问,用高于1Ohm的电阻可以检测数百毫安的电流。但如果电流达10-20安培,情况就完全不同了,因为电阻中的功耗(P=R*I2)就无法忽略了。虽然可以尝试通过降低电阻阻值来限制功耗,但由于检测的电压也同时相应降低,检测的阻值往往会受到估值分辨率和精度的限制。

通常,电阻两端的检测电压可由以下公式得出:

U=R*I+Uth+Uind+Uiext+......
Uth=热电动势
Uind=感应电压
Uiext=端口引线压降

上述情况,与电流无关的因素引起的误差电压会影响检测结果,因此设计人员必须清楚了解这个原因,并且应通过合理的布线设计尤其是通过选择合适的电阻来最大程度降低电压误差造成的影响。

虽然任何导电材料都可以用来制作电阻。但是这样的元器件根本不适合用于电流采样,原因是:电阻值受温度、时间、电压、频率等众多参数的影响。

R=R(T,t,P,Hz,U,A,μ,p,....)

理想的完全不受以上参数影响的电流检测电阻是不存在的,那么实际的电阻可通过下文表格中所列的特性参数,例如电阻温度系数、长期稳定性、热电动势、功率负荷、电感、线性度等来表述。

其中的部分特性本质上取决于材料,其它一些特性受元器件设计的影响,再有一些特性由生产工艺决定,如下表中所描述。

xxx=影响很大
xx=影响适中
x=影响很小,但值得注意

一百多年前(1889年),来自德国迪伦堡的IsabellenhütteHeusler公司(简称伊萨公司)研制出了精密电阻锰镍铜合金(Manganin),自这种合金问世以来,其优异的特性奠定了精密检测技术的基础,例如也用于标准电阻器中。其他合金材料Isaohm和Zeranin以其132和29μOhm*cm的电阻率系数分别向上及向下补充和拓展了电阻率范围。所有合金很大程度上满足了电阻材料要求,并且成功地应用了数年之久,而其中Manganin合金因在世界上广泛的知名度承担了特殊角色。

在过去25年,为了应对基于磁场的电流检测方法的发展,Isabellenhütte致力于通过对分流电阻的物理优化更加广泛的拓展了精确检测电流的范围。随着补偿、温度系数和运算放大器干扰信号得到一步步的改进,所选的电阻值可以降低至毫欧范围,从而很大程度上解决了大电流条件下的大功率损耗问题(P=R*I2)。但是,同时由于故障电压(其中包括干扰、热电动势等)导致相对误差的极大增加,诸如低电感和低热电动势等等的特性就极为重要。

在下面的内容中,我们将简要讨论一些最重要的技术参数。

温度系数(TCR)

图表显示的是Manganin电阻的典型抛物线温度特性曲线。由于此特性仅由材料成分决定,因此可以生产具有极高可复制性和极低批次差异的电阻器。

温度系数以ppm/K为单位,定义式如下:

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

其中,参考温度T0的值通常是20°C或25°C。如果温度曲线是与Manganin的曲线相似的弯曲曲线,则还必须给出用于检测温度系数的上限温度,例如TCR(20-60)。低阻值范围内通常采用TCR值为几百个ppm/K的厚膜技术电阻器。图中红色曲线表示TCR为200ppm/K的电阻的温度特征,50°C的温度变化就足以导致电阻值变化超出1%。这样电阻器无法进行精确的电流检测。更极端的情况在PCB板上用蚀刻铜线作为电流检测电阻器,由于铜的TCR值达到4000ppm/K(或0.4%/K),也就是说仅仅10°C的温度变化都足以导致4%的阻值漂移。

热电动势(Uth)

当温度轻微升高或者降低时,在不同材料的接触面上会产生所谓的热电动势,这种效应对低阻值电阻的影响尤其值得关注,因为通常在此处检测的电压非常微小,所以微伏级的热电动势能够严重地影响检测结果。

直到今天,在许多讲义和教课书中电阻合金康铜(Konstantan)依旧是绕线和冲压分流器的主要材料之一,尽管它具有良好的TCR,但其对铜的热电势高达40μV/K。由于10℃的温差导致400μV的电压误差,使用1毫欧的分流电阻检测4A电流,检测结果误差增大了10%。更为严重的是,假如考虑到电阻尺寸,经常被忽略的珀尔帖效应(Peltiereffect)可以通过接触面之间的相互加热或降温作用,将温差增大到20℃以上(非常极端的例子是电阻一端的焊接部位出现熔化)。即使检测电路在恒定电流状态下,由于珀尔帖效应(Peltiereffect)而产生的温差及温差电动势也会导致较明显的电流起伏。在切断电源之后,温差消失之前,仍然能够明显检测到电流,根据设计规格和阻值的不同,电流误差能有几个百分点或达到几个安培。上面提到的精密电阻合金与铜在热电动势方面完全匹配,上述的效应可以完全被忽略,例如,0.3mOhm电阻器会在切断100A的电流之后产生不到1μV的电压(对应于3mA的电流)。

长期稳定性

长期稳定性对于任何传感器都极为重要,因为即使在使用数年之后,用户仍希望它能够保持最初校准的精度。这意味着电阻材料必须耐腐蚀,而且在使用寿命周期内不得发生任何合金成分变化。介质均匀的复合合金Manganin、Zeranin和Isaohm经过严谨的锻烧和稳定处理从而达到热力学基本状态。这类的合金的稳定性可以保持在ppm/年范围内,就像百余年来Isabellenhütte(伊萨公司)凭借其作为国际检测定标的标准电阻器向世人所展示和证实的一样。

图表中展示了在140°C温度下工作超过1000小时的贴片电阻器的稳定性曲线。大约-0.2%的轻微漂移是由于生产过程中微小变形所导致的栅格缺损的所引起的,并且说明元件进一步趋于稳定,也就是说稳定性将变得更好。阻值漂移速度很大程度取决于温度,因此温度在+100℃时,这种漂移实际是检测不出来的。

四端子连接技术

在低阻值电阻器的情况下端子及引线的影响是不能被忽略的,因此必须直接连接电阻材料两端的附加端子来进行电压检测。

示例说明有缺陷的电阻结构和不恰当的布线设计会引起非常大的误差。一个10mOhm两端子绕线电阻,铜引线的电阻占据了总电阻的20%,而仅一小段4mm的铜引线便可使电阻产生100%的偏差。

尽管端子和引线的冗余电阻可以通过补偿校准来消除,但它对总电阻的温度系数有着极大的影响。(如下图所示)

尽管在本示例中,铜的比例极小,仅占2%(与上述示例中24%形成鲜明对比,TCR还是从接近零增至大约+80ppm/K。这意味着在产品规格书中给出所使用电阻材料TCR值的做法是绝对没有价值的。

由电子束焊接的合成材料Cu-Manganin-Cu制造的电阻器实际上具有非常低的端子电阻,并且通过合适的布线设计,可以重新使用两端子结构电阻器,通过合理布板设计、焊接等实现四端子连接性能。但是,在设计布局过程中,务必注意电阻器中的电流通路不能触及电压连接线(电压传感线路)。如果可能,应将传感线路从电阻器内部以微带线的形式连接到端子。

高功率负荷

由于与铜相比,电阻材料的热导性相对较弱,而且电阻器大多数使用厚度介于20-150μm之间的蚀刻结构的合金箔,因此不可能通过电阻材料将功耗转化成的热量传导到端子中。所以Isa-Plan系列电阻采用一种很薄的、导热性强的粘合剂来将电阻合金箔粘在一种同样具有良好导热性的基板上(铜或铝)。通过这种方式可以非常有效地将热量通过基板和端子散发到外部,最终实现相对很低的热内阻(通常为10-30K/W)。

反过来,这种结构的电阻可以在非常高的端子温度下满负荷工作,也就是说功率折减点在很高的温度下才出现;同时电阻材料的最高温度可以维持在较低水平,这就可以有效改善电阻的长期稳定性和因温度而引起的阻值变化。

使用复合材料的极低阻值电阻器,Manganin横截面积及机械强度非常之大,以至于无需使用任何基板,这也就意味着电阻材料具有非常好的导热性及相对低的热内阻。例如对于1毫欧的电阻,热内阻大约10K/W,对于100微欧的电阻,热内阻甚至只有1K/W。

低电感

目前的许多应用中需要检测和控制开关调制电流,因此分流器的寄生电感参数非常重要。表面贴装电阻器的生产中采用特殊的低电感平面设计并选择具有或不具有紧密相邻的波形纹结构。上面所提到的精密合金的抗磁性,金属底板结构以及四端子连接又进一步实现了低电感。

但是,由于电压取样连接线和电阻器构成了环状的天线结构,为了避免其间因电流通过产生的磁场和外围磁场而形成的感应电压,需要特别强调要使电压取样的信号线围成的区域越小越好,最理想的是条状线设计。与放大器连接的两条取样信号线要设计得尽量靠近或者最好在PCB的不同层面之间平行布线,不合适的布局(红线所示)的后果是,这种天线效应会远远加大电阻的实际电感。

低阻值

尽管在高电流和低电阻时运用了四端子设计,但例如实际中经常被应用的由Manganin合金带直接冲压而成的电阻器(如图a)并不算是最佳方案,因为虽然四端子电阻,其TCR和热电动势比较好,但总电阻值高出实际测量阻值的2-3倍。

由此导致电阻比较高的功耗和温升。此外,电阻器材料很难单以通过螺钉和焊接与铜连接,导致接触面的电阻值加大,从而进一步增加功耗。

通过由复合材料冲压的电阻器很大程度上减少这些误差。总电阻增加不到10%,客户同样可以使用认可的铜-铜连接技术。

尺寸规格和应用

出于成本和微型化的考虑,在汽车电子工业中,愈来愈广泛的使用阻值从200μOhm起的表面贴装(SMD)电阻,检测高达100A的电流。下面将介绍一些电阻器的尺寸规格、特征和应用示例。所有示例是两端子设计,通过优化物理结构和合适的PCB板布线可以实现四端子技术的绝对精确检测。