電阻電流檢測的基本原理

電流檢測電阻，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出來。

在最小的空間實(shí)現(xiàn)最佳的檢測結(jié)果是汽車行業(yè)對汽車電子系統(tǒng)最常見的要求之一。這正是分流器技術(shù)的優(yōu)勢。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)。

電阻電流檢測的基本原理

根據(jù)歐姆定律，在檢測通過電阻的電流時(shí)，電勢差被作為電流檢測的直接檢測值。毫無疑問，用高于1Ohm的電阻可以檢測數(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，但由于檢測的電壓也同時(shí)相應(yīng)降低，檢測的阻值往往會(huì)受到估值分辨率和精度的限制。

通常，電阻兩端的檢測電壓可由以下公式得出：

U=R*I+Uth+Uind+Uiext+......
Uth=熱電動(dòng)勢
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)、長期穩(wěn)定性、熱電動(dòng)勢、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

一百多年前（1889年），來自德國迪倫堡的IsabellenhütteHeusler公司（簡稱伊薩公司）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)對基于磁場的電流檢測方法的發(fā)展，Isabellenhütte致力于通過對分流電阻的物理優(yōu)化更加廣泛的拓展了精確檢測電流的范圍。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)勢等）導(dǎo)致相對誤差的極大增加，諸如低電感和低熱電動(dòng)勢等等的特性就極為重要。

在下面的內(nèi)容中，我們將簡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。更極端的情況在PCB板上用蝕刻銅線作為電流檢測電阻器，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(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，這種效應(yīng)對低阻值電阻的影響尤其值得關(guān)注，因?yàn)橥ǔＴ诖颂帣z測的電壓非常微小，所以微伏級的熱電動(dòng)勢能夠嚴(yán)重地影響檢測結(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，但其對銅的熱電勢高達(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4A電流，檢測結(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（對應(yīng)于3mA的電流）。

長期穩(wěn)定性

長期穩(wěn)定性對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)際是檢測不出來的。