取樣電阻(三)

對(duì)于電流檢測(cè),過(guò)去的二十年間兩種不同原理的檢測(cè)方法占據(jù)著這個(gè)市場(chǎng),基于磁場(chǎng)的檢測(cè)方法和基于分流器的檢測(cè)方法.基于磁場(chǎng)的檢測(cè)方法(以電流互感器和霍爾傳感器為代表)具有良好的隔離和較低的功率損耗等優(yōu)點(diǎn),因此主要在驅(qū)動(dòng)技術(shù)和大電流領(lǐng)域被電子工程師們選用,但它的缺點(diǎn)是體積較大,補(bǔ)償特性、線(xiàn)性以及溫度特性不理想.

在過(guò)去的幾年間,由于小體積的高精度低阻值電阻器的實(shí)用化,以及數(shù)據(jù)采集和處理器性能的大幅度提升,已經(jīng)導(dǎo)致傳統(tǒng)的基于分流器的電流檢測(cè)方法的技術(shù)革新,并使新的應(yīng)用成為可能,這在十年前,是無(wú)法想象的.

車(chē)身電子控制系統(tǒng)的工作電流大多在1-100A之間,在特殊情況下(例如氧傳感器加熱),會(huì)有短時(shí)間200-300A的電流,車(chē)輛的啟動(dòng)電流甚至高達(dá)1500A.在電池和電源管理系統(tǒng)中,還有更極端的情況,車(chē)輛運(yùn)行時(shí)持續(xù)電流為100-300A,而在靜止?fàn)顟B(tài),電流只有幾毫安,這也需要被精確檢測(cè)出來(lái).

電流檢測(cè)電阻的基本原理:

根據(jù)歐姆定律,當(dāng)被測(cè)電流流過(guò)電阻時(shí),電阻兩端的電壓與電流成正比.當(dāng)1W的電阻通過(guò)的電流為幾百毫安時(shí),這種設(shè)計(jì)是沒(méi)有問(wèn)題的.然而如果電流達(dá)到10-20A,情況就完全不同,因?yàn)樵陔娮枭蠐p耗的功率(P=I2xR)就不容忽視了.我們可以通過(guò)降低電阻阻值來(lái)降低功率損耗,但電阻兩端的電壓也會(huì)相應(yīng)降低,所以基于取樣分辨率的考慮,電阻的阻值也不允許太低.

通常,下面的公式適用于計(jì)算電阻兩端的電壓:

U=RxI+Uth+Uind +Uiext+......

其中Uth是熱電動(dòng)勢(shì),Uind 是感應(yīng)電壓,Uiext是PCB引線(xiàn)上微小電流引起的壓降.

其中與電流無(wú)關(guān)的因素而導(dǎo)致的誤差電壓能夠直接影響到測(cè)量的精度,因此設(shè)計(jì)者應(yīng)該了解這些因素并通過(guò)精心的電路板布局,尤其是選擇合適的元件來(lái)降低相關(guān)的影響.

很多種導(dǎo)電材料可以用來(lái)制造電阻,但是這樣的元件并不太適合做電流取樣.因?yàn)殡娮枳柚蹬c溫度,時(shí)間,電壓和頻率等參數(shù)有關(guān),R=R (T,t,P,Hz,U,A,m,p,...).

實(shí)際的電阻性能或多或少都和它的基礎(chǔ)材料以及生產(chǎn)制程有關(guān)

理想的電流檢測(cè)電阻應(yīng)該完全與這些參數(shù)無(wú)關(guān),當(dāng)然這樣的電阻是不存在的.實(shí)際的電阻特性見(jiàn)表1,包括溫度系數(shù)TCR,長(zhǎng)期穩(wěn)定性,熱電動(dòng)勢(shì),負(fù)載能力,電感和線(xiàn)性度,其中的部分特性由材料本身決定;部分特性由元件設(shè)計(jì)決定,還有一些參數(shù)決定于生產(chǎn)制程.

早在1889年,德國(guó)Isabellenhuette公司發(fā)明了精密電阻合金錳鎳銅(Manganin),其優(yōu)良的特性奠定了精密測(cè)量技術(shù)的基礎(chǔ),后來(lái)該公司又發(fā)明了Isaohm 和 Zeranin,它們的電阻系數(shù)分別達(dá)到132mW xcm和29mW xcm,使電阻合金的家族更加完善,所有這些合金都極大地滿(mǎn)足了全球?qū)﹄娮璨牧系男枨蟛⑶议L(zhǎng)期被精密電阻廠商成功應(yīng)用.

過(guò)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,Isabellenhuette公司致力于通過(guò)對(duì)分流器電阻進(jìn)行物理優(yōu)化進(jìn)而擴(kuò)展分流器的電流檢測(cè)的量程.與此同時(shí),半導(dǎo)體公司已經(jīng)改進(jìn)了運(yùn)算放大器的諸多特性比如漂移,溫度系數(shù)和噪聲,這促使電子工程師可以在設(shè)計(jì)中選用毫歐級(jí)阻值的分流電阻,解決了大電流條件下的高功率損耗問(wèn)題.但隨之而來(lái)的代價(jià)是因?yàn)楦蓴_和熱電效應(yīng)等因素而引起的相關(guān)誤差也大大增加,因此降低寄生電感和抑制熱電動(dòng)勢(shì)就顯得特別重要.

一,溫度系數(shù)

是錳鎳銅合金電阻的典型溫度特性曲線(xiàn),溫度系數(shù)TCR單位為ppm/K,在20或25℃ 時(shí),TCR=[R(T)-R(T0)]/R(T0) ×(T-T0),對(duì)于溫度系數(shù)的定義,制造商標(biāo)明溫度的上限是必要的,舉例說(shuō)明在+20 -+60℃的溫度范圍內(nèi),測(cè)量系統(tǒng)經(jīng)常選用TCR為幾百個(gè)ppm/K 的低阻值的厚膜電阻器,比如TCR 為200 ppm/K的電阻器的溫度特性,即使在如此小的范圍內(nèi),+50℃的溫度變化就足以導(dǎo)致阻值變化超過(guò)1%,這樣的電阻是不能用于精確電流測(cè)量的,有些測(cè)量設(shè)備制造商甚至使用PCB走線(xiàn)的銅膜作為電流取樣電阻,銅的TCR是4000 ppm/K(or 0.4%/K),2.5℃的溫度變化就足以造成1%的誤差.

二,熱電動(dòng)勢(shì)

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)生熱電勢(shì),這種效應(yīng)對(duì)低阻值電阻的影響非常重要,盡管通常情況下熱電勢(shì)數(shù)值非常小,但微伏級(jí)的熱電勢(shì)能夠嚴(yán)重地影響測(cè)量結(jié)果.

直到今天,電阻合金康銅依舊是繞線(xiàn)和沖壓分流器(在片狀材料上進(jìn)行模壓)的主要材料,盡管它有良好的TCR,但其對(duì)銅的熱電勢(shì)高達(dá)40mV/K.例如,使用1毫歐的分流電阻檢測(cè)4A電流,10℃的溫差就能產(chǎn)生400mV的電壓差,相當(dāng)于測(cè)量結(jié)果誤差增大了10%.更嚴(yán)重的情況是,假如考慮到電阻尺寸,經(jīng)常被忽略的珀?duì)柼?yīng)(Peltier effect)可以通過(guò)接觸面之間的相互加熱或降溫作用,將溫差增大到20℃以上(非常極端的例子是焊接部位熔化).即使被測(cè)電路工作在恒定電流狀態(tài)下,由于珀?duì)柼?yīng)(Peltier effect)而產(chǎn)生的溫差也會(huì)導(dǎo)致有電壓存在,顯示電流是不恒定的.關(guān)斷電流之后,在溫差消失之前,測(cè)量結(jié)果會(huì)顯示有明顯的電流存在,根據(jù)設(shè)計(jì)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.而前面提到的精密電阻合金的熱電特性和銅非常接近,金屬和金屬的接觸面不會(huì)產(chǎn)生熱電壓,設(shè)計(jì)者甚至可以忽略珀?duì)柼?yīng)(Peltier effect).比如使用一只0.3mW的電阻,產(chǎn)生的熱電壓小于1mV,在關(guān)掉100A電流的時(shí)侯,熱電勢(shì)產(chǎn)生的電流小于3mA.

三,長(zhǎng)期穩(wěn)定性

對(duì)于任何傳感器來(lái)說(shuō),長(zhǎng)期穩(wěn)定性都非常重要.甚至在使用了一些年后,人們都希望還能維持早期的精度.這就意味著電阻材料在壽命周期內(nèi)一定要抗腐蝕,并且合金成分不能改變.要使測(cè)量元件滿(mǎn)足這些要求,可以使用同質(zhì)復(fù)合晶體組成的合金,通過(guò)退火和穩(wěn)定處理的生產(chǎn)制程,以達(dá)到基本熱力學(xué)狀態(tài).這樣的合金的穩(wěn)定性可以達(dá)到ppm/年的數(shù)量級(jí),使其能用于標(biāo)準(zhǔn)電阻.

表面貼裝電阻 在140℃下老化1000小時(shí)后阻值只有大約-0.2%的輕微漂移,這是由于生產(chǎn)過(guò)程中輕微變形而導(dǎo)致的晶格缺損造成的.阻值漂移很大程度上由高溫決定,因此在較低的溫度下比如+100℃,這種漂移實(shí)際是檢測(cè)不出來(lái)的.

四,端子連接

在低阻值電阻中,端子的阻值和溫度系數(shù)的影響往往是不能忽略的,實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮這些因素,可以使用附加的取樣端子直接測(cè)量金屬材料兩端的電壓.如圖3所示,一個(gè)四端子的連接將允許測(cè)量系統(tǒng)實(shí)際用到的阻值為R0,而普通的連接的阻值為R0+2xRCu .例如,10 mm長(zhǎng)0.3 mm線(xiàn)徑的銅線(xiàn)會(huì)增加2.4 mW的RCu阻值,4mm長(zhǎng)0.2mm寬 35mm厚度的PCB引線(xiàn)的RCu阻值是10mW.

一個(gè)四端子的連接將允許測(cè)量系統(tǒng)實(shí)際用到的阻值為R0,而普通的連接的阻值為R0+2xRCu

這些例子都表明有缺陷的電阻結(jié)構(gòu)或者布線(xiàn)不合理都會(huì)導(dǎo)致非常大的誤差,對(duì)于10毫歐兩端子電阻器,銅連接線(xiàn)占了總阻值的24%,甚至很短的4mm的PCB布線(xiàn)已經(jīng)使阻值翻倍.電阻材料和銅端子焊接前的結(jié)合面清理工藝可以減少端子的附加阻值,但是TCR的影響依然存在.

描述的實(shí)例中,銅的比例小到只有2%(相比前面24%的例子),然而TCR卻從接近0升高到80ppm/K.對(duì)于這樣結(jié)構(gòu)的低阻值電阻器,如果在在技術(shù)文檔中只列出合金材料本身的TCR絕對(duì)是不可以被接受也是沒(méi)有價(jià)值的.

四端子連接使得測(cè)量系統(tǒng)可以從高可靠性的感測(cè)元件直接獲取信號(hào)

由電子束焊接的銅-錳鎳銅電阻實(shí)際上具有這樣低的端子阻值,通過(guò)合理的布線(xiàn)可以作為兩端子電阻使用而接近四端子連接的性能.但是在設(shè)計(jì)時(shí)一定要注意取樣電壓的信號(hào)連線(xiàn)不能直接連接取樣電阻的電流通道上,如果可能的話(huà),最好能夠從取樣電阻下面連接到電流端子并設(shè)計(jì)成微帶線(xiàn).

五, 高負(fù)載功率

因?yàn)殡娮璨牧系膶?dǎo)熱性比銅要差,并且大多數(shù)電阻使用厚度在20-150mm之間的蝕刻結(jié)構(gòu)的合金箔,因此無(wú)法通過(guò)電阻材料到端子散熱.解決方案之一就是用一層薄的導(dǎo)熱良好的粘合劑把電阻合金箔粘合到同樣有良好導(dǎo)熱性的底板材料上(銅或鋁).這種結(jié)構(gòu)可以有效地將熱量傳導(dǎo)給周?chē)h(huán)境,保證了電阻器具有非常低的熱內(nèi)阻(典型值為10-30K/W).(ISA-PLAN系列的電阻使用該技術(shù)制造,譯者注)

這種結(jié)構(gòu)的電阻可以在非常高的溫度下滿(mǎn)負(fù)荷工作,如圖5所示在很高的溫度下才出現(xiàn)功率折減;同時(shí),電阻材料的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.

由于自身的低熱內(nèi)阻,只有在高溫下才出現(xiàn)功率折減.

對(duì)于使用復(fù)合結(jié)構(gòu)的極低阻值的電阻器,電阻合金的橫截面積和機(jī)械強(qiáng)度很大,所以沒(méi)必要使用底板,這也就意味著電阻材料具有足夠低的熱內(nèi)阻,例如對(duì)于1毫歐的電阻,熱內(nèi)阻大約10K/W,但是100微歐的電阻,熱內(nèi)阻只有1K/W了.(ISA-WELD系列的電阻使用該技術(shù)制造,譯者注)

六,低電感

在當(dāng)今的很多應(yīng)用中需要測(cè)量和控制高頻電流,分流器的寄生電感參數(shù)也得到了大幅改善.表面貼裝電阻器的特殊的低電感平面設(shè)計(jì)和合金材料的抗磁特性,金屬底板,以及四引線(xiàn)連接都有效降低了電阻器的寄生電感.

然而,電路板上的取樣端子和電阻組成了一個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu),為了避免其間因電流產(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)要使取樣的信號(hào)線(xiàn)形成的區(qū)域越小越好,最理想的是微帶線(xiàn)設(shè)計(jì),例如,與放大器連接的兩條取樣信號(hào)線(xiàn)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(xiàn),最差的設(shè)計(jì)是天線(xiàn)效應(yīng)會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出電阻本身實(shí)際電感的影響.

四端子連接的電路構(gòu)成一個(gè)天線(xiàn)回路,對(duì)EMI形成的感應(yīng)電壓很敏感.

七,低阻值

四引線(xiàn)設(shè)計(jì)推薦用于大電流和低阻值應(yīng)用.通常的做法使用錳鎳銅合金帶直接沖壓成電阻器,但這不是最好的辦法.盡管四引線(xiàn)電阻有利于改進(jìn)溫度特性和熱電壓,但總阻值有時(shí)高出實(shí)際阻值2到3倍,這會(huì)導(dǎo)致難以接受的功率損耗和溫升.此外,電阻材料很難通過(guò)螺絲或焊接與銅連接,也會(huì)增加接觸電阻以及造成更大的損耗.