电流检测电阻设计中的选型和应用

电流检测电阻是随电流测量、电流控制的要求开发出来的一种特殊电阻。电流的测量范围很广，从几毫安到几十安；测量的精度要求不同，电流检测电阻也有不同的规格以满足不同的需要。电流检测在电路中一共有3个功能，第一个是测试，第二是保护，第三是控制。电流检测电阻主要应用与工业、消费类、汽车、通信、医疗、仪器及军用/航空和航天。

从原理上又把电流检测技术分成两种，一种是基于电阻器的直接式电阻检测技术，另一种是基于霍尔原理的间接式电流检测技术。



对于直接式的电阻检测技术来说，我们又分为模拟输出和数字输出两种。对于模拟输出来说我们又有高位检测和低位检测的区别，对于数字输出我们又有隔离式和非隔离式的区别。对于间接式的电阻检测技术和直接式的电阻检测技术，他们各有优缺点，对于间接式的技术来说它的优点在于没有功率的耗散，同时它本身是隔离的，我们在电路设计中不需要做隔离的处理。但是它存在体积大、漂移比较高，需要做补偿、噪声、线性、长期稳定性以及范围，另外还有一些磁网和特性上的缺点。对于直接式电流检测技术来说，它的优缺点基本上是把它反过来，它的缺点在于它因为是串在电路中的，所以它存在着功率的耗散，同时它的输出信号是不隔离的，如果在一些高压的系统中，我们需要做隔离的处理。另外它的输出信号比较小，我们需要通过运输放大器对它的信号进行放大的处理。但是它会有更多的一些优点，比如说体积很小，它有非常好的线性度，不需要做补偿，它有出色的长期稳定性和温度的性能。另外它有非常宽的动态的检测范围，除此之外，它的成本也要低廉得多。

电阻检测技术存在非常多的挑战，根据欧姆定律我们在一个固定电阻上流过的一个电流，会在它两端产生一个固定的电压，但是这是一种理想的状况。实际的状况是什么？我们会有运算放大器的十条电压，会有整个电路的设计中的感应电压，以及有中间的因为存在热量而产生的热电压，还有PCB的走线所附加的一些压降。也就是说我们实际检测到的电压并不完全和电流成正比，因此在基于分流器的分流检测中，我们需要尽量降低这一些附加的成分。我们现在看一下作为直接式电流检测技术检测电阻的要求有哪些。在我们常规的Ω、KΩ的电阻中，我们所关注的参数并不需要很多。但是为了降低电流检测电阻的功率耗散，我们需要使用阻值非常小的电阻器，我们过去很多不关注的参数在这里我们不得不去关注。我们会看到长期稳定性、温度漂移、热电动势和寄生电感等等一些参数，我们在电流检测中必须要考虑。而且它对于电流检测的误差的影响是巨大的。





影响这些参数主要有哪些因素？

电子元件技术网认为首先是材料，我们没有一个好的电阻合金材料是无法制造出好的分流器电阻的。另外就是设计，第三个是制造的工艺，我们叫制成。

可以看到材料对于温度系数对于长期稳定性和热电动势影响是最大的，设计对于寄生电感、功率和它的内阻以及它的端子结构影响是巨大的。制成主要是对它的精度以及它的成本影响很大。因此一颗好的电流检测的电阻，并不是一个很简单的问题。

简单介绍一下几个重要的参数对于检测精度的影响。在这个图中我们可以看到TCR的曲线，其中蓝色是我们常规的铜，也就是我们PCB板上走的铜膜，我们会看到它的温度漂移是 4000个PPM，也就是温度每变化1摄氏度它的阻值要产生一百万分之四千这样的误差，这个值是非常大的。因此在我们做设计的时候，电阻的端子以及PCB 的走线影响是巨大的。我们不可以去忽视。我们看到的红色的线我们叫做锡青铜，它的温漂是700个PPM每K。在电子展上经常看到的绿色的这条线是我们的锰镍铜，锰镍铜是纯粹的合金材料，好的锰镍铜它的温漂只有10个 PPM，是制造分流器电阻的最理想的材料之一。




可能大家会问，你为什么不介绍一下精度值？我们拿一个例子来看，我们使用1毫欧的电阻，1%的精度来检测一个45A的峰值电流，那么它的耗散功率接近2W，我们取得的采样信号大概是45个毫伏。我们不考虑其他的因素，我们知道得出的检测误差是1%，那么我们再来看温漂对它的影响。假设这个电阻工作到100 度，因为我们的参数给出来是25度的。工作到100度将意味着我们有75度的温度变化，如果我们使用20个 PPM的合金来做这个电阻，我的误差是千分之一点五。如果我使用800PPM的合金来制造的话，我最终的检测误差是6%，可以看到6%远远大于1%的水平。因此在电流检测的设计中，TCR是比误差更重要的参数。初始误差我们可以通过后续的电路和软件进行校准和补偿，但是TCR做起来的难度要大的多。所以我们在选择一个电阻的话，首先要考虑的是它的温度系数。提示：本文整理自我爱方案网评出了“最佳工业应用十大演讲”！工业应用开发者论坛专题



这个曲线我们看到的是电阻器的长期稳定性，所谓长期稳定性就是指电阻器在一个额定的温度的条件下工作一个时长，比如说5000个小时，它的阻值的变化率是多少。大家知道我们的测试仪器是可以定期的回到实验室做校准，但是我们安装在现场的工业设备，以及马路上跑的汽车，我是不能回去经常校准的。所以这要求我们的检测电阻要有非常好的长期稳定性。实际上这个曲线我们可以看到它的长期稳定性在140度的环境下去测试，当达到5000个小时的时候，它的长期稳定性是负千分之二点五，这是一个非常好的指标。

最后一个参数是热内阻，一个电阻器总的热阻相当于各个部分的热热内阻串联的和。我们努力降低每一部分热阻，会让整个电阻的热阻降低下来，热阻降下来的好处在于我们可以让同样的功率产生的热量散得更快，可以承载更大的功率，因此功率的折减点就可以变的更高。我们反过来看这个曲线的斜率的倒数是这个电阻的热阻，因此一个很陡峭功率折减曲线的电阻比一个很平缓的折减电阻更好，具有更小的热内阻，同样分装的情况下可以承载更高的功率。