干貨 使用分流電阻器測(cè)量電流

分流電阻器是一種插入電路中測(cè)量電流的精密元件。在使用靈敏表頭測(cè)量電流的電流表中，將分流電阻器與表頭并聯(lián)，就可以將部分電流從表頭中“分流”出去。如今，一般通過(guò)將電阻器插入電路來(lái)進(jìn)行“分流”，電阻器會(huì)相應(yīng)地小幅降低電路中的電流電壓。然后可以使用電壓表或示波器測(cè)量該電壓降，并利用歐姆定律將測(cè)得的電壓除以電阻值，即可計(jì)算得出流經(jīng)電路的電流。

圖 1 可將已知電阻值的分流電阻器與負(fù)載串聯(lián)，用以測(cè)量負(fù)載中的電流。通過(guò)測(cè)量已知分流電阻器兩端的電壓降，即可利用公式 I = V/R 計(jì)算出電流。

分流電阻器的類型
分流電阻器、電流感應(yīng)電阻器和電流觀察電阻器的工作原理相同，但其性能和預(yù)期用途可能有所不同。CVR，即電流觀察電阻器，是分流電阻器的另一種說(shuō)法。通常是指低值分流電阻器，具有受控的頻率響應(yīng)和非常準(zhǔn)確的電阻，適用于精密動(dòng)態(tài)測(cè)量應(yīng)用。雖然 CVR 可以用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)，但更常用于原型設(shè)計(jì)或提供臨時(shí)測(cè)試點(diǎn)。CVR 通常配備包含寄生元件的軟件模型，便于進(jìn)行精確模擬。
如上所述，電流感應(yīng)電阻器也可用作分流電阻器，但該術(shù)語(yǔ)通常指作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)組成部分的電阻器。可與放大器結(jié)合，用于測(cè)量電阻器兩端的電壓降。可結(jié)合的放大器既可以是獨(dú)立的電流感應(yīng)放大器，也可以是處理信號(hào)調(diào)節(jié)、隔離和模數(shù)轉(zhuǎn)換的完全集成的功率監(jiān)測(cè)集成電路。
分流電阻器的特性
分流電阻器通常設(shè)計(jì)為低電阻，以最大限度地減少電壓降，并盡可能減少通過(guò)焦耳效應(yīng)散熱而產(chǎn)生的 I2R 功率損耗。分流電阻器必須具有足夠的額定功率來(lái)承載被測(cè)電路中的電流。與任何其他組件一樣，分流電阻器并不是“最佳”選擇，因?yàn)殡姼袝?huì)減少電流變化，因此串聯(lián)電感是一個(gè)重要的考慮因素。
設(shè)計(jì)用于交流測(cè)量的分流電阻器通常采用扁寬外形。由于趨膚效應(yīng)，交流電主要在導(dǎo)體外表面流動(dòng)。因此，設(shè)計(jì)人員通常選擇扁寬導(dǎo)體來(lái)優(yōu)化表面積，保持較小的交流阻抗。
由于分流電阻的阻值可能非常小，以至于與連接線和接觸電阻的阻值相當(dāng)。因此，一些分流電阻器設(shè)計(jì)了四個(gè)端子，以實(shí)現(xiàn)開爾文連接。這種設(shè)計(jì)在電流和電壓電極之間提供了物理分離，消除了連接線和接觸電阻對(duì)測(cè)量的影響。實(shí)際上，分流電阻器的兩個(gè)端子用于傳輸電流，另外兩個(gè)端子用于連接電壓表。由于電壓表具有較高的輸入阻抗，所以能夠有效地消除流過(guò)電壓測(cè)量端子的電流，最大限度地減少了電壓連接中任何電阻的影響。
對(duì)設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)，為 PCB 設(shè)計(jì)選擇合適的分流電阻器是一項(xiàng)重要任務(wù)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，尤其是為大規(guī)模生產(chǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，他們通常需要在電氣性能、封裝尺寸、功率等級(jí)甚至單價(jià)之間做出權(quán)衡。
為幫助您選擇合適的分流電阻器，以下列出了一些關(guān)鍵考慮因素。
準(zhǔn)確度和公差：所需的測(cè)量精度決定了組件選擇的具體范圍。對(duì)于精確測(cè)量，應(yīng)選擇公差?。ā?.1% 或更小）的電阻器。在敏感應(yīng)用中，較大的公差可能會(huì)引入誤差。
寄生電感：在高頻電流或電流變化快的測(cè)量中，一定要考慮電感。低電感電阻器非常適合這種應(yīng)用場(chǎng)景，因?yàn)樗鼈冏畲笙薅鹊販p少了可能的測(cè)量誤差，確保信號(hào)干凈、準(zhǔn)確。
溫度系數(shù)：必須確保電阻器具有較低的溫度系數(shù) (TCR)，這樣即使在溫度波動(dòng)的條件下，也能保持電阻器的穩(wěn)定性。溫度系數(shù)通常與功率耗散因素有關(guān)。
電流范圍/額定功率：電流范圍和功率額定值均需考慮。最大電流范圍以及電阻值將決定最大功率耗散。此外，還必須考慮要測(cè)量的最小電流差，確保分流電阻器足夠大，以產(chǎn)生可測(cè)量的電壓降。功率等級(jí)通常會(huì)決定電阻器的尺寸和外形。
物理尺寸和外形：無(wú)論您需要的是表面貼裝設(shè)計(jì)還是通孔設(shè)計(jì)，您選擇的電阻器都應(yīng)該滿足上述條件，且適合您的系統(tǒng)可用空間。
分流電阻器的應(yīng)用
分流電阻器具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低和性能高的優(yōu)點(diǎn)，因此適用于各種應(yīng)用。它們廣泛應(yīng)用于以下領(lǐng)域：
? 常規(guī)測(cè)試與測(cè)量：分流電阻器可以嵌入電流表，也可以作為外部設(shè)備與被測(cè)負(fù)載串聯(lián)。
? 電源和工業(yè)設(shè)備：用于電流監(jiān)測(cè)和故障檢測(cè)。
? 電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)：用于測(cè)量和調(diào)節(jié)電流，優(yōu)化性能。
? 電動(dòng)汽車：高精度監(jiān)測(cè)充電和放電電流。
? 移動(dòng)設(shè)備：電流感應(yīng)電阻器通常用于監(jiān)測(cè)低電流設(shè)備的電流消耗。
分流電阻器在電路中的放置位置
在大多數(shù)應(yīng)用中，應(yīng)將分流電阻器的一個(gè)引腳放置在靠近地線一側(cè)（通常稱為“低邊電流感應(yīng)”）。這種做法將降低施加到用于測(cè)量分流器的電壓表的共模電壓。設(shè)計(jì)人員必須注意，測(cè)量的返回路徑不能與交流信號(hào)路徑共享，也不能與交流信號(hào)路徑耦合，因?yàn)榻涣餍盘?hào)會(huì)在測(cè)量中引入噪聲。
在某些情況下，將分流電阻器接地可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)或者不可取。例如，最近汽車電源設(shè)計(jì)師考慮了將分流器直接連接到電源的優(yōu)勢(shì)，這種配置可以使他們快速檢測(cè)下游路徑上的潛在故障，從而有機(jī)會(huì)保護(hù)電路。這當(dāng)然意味著分流器必須插入不接地的節(jié)點(diǎn)，因此應(yīng)特別注意觀察用于測(cè)量電壓降的測(cè)量系統(tǒng)的共模電壓規(guī)格。

圖 2  如果可能，分流電阻器（例如該電路中的下方電流觀察電阻器 (CVR)）應(yīng)接地。這將最大限度地減少共模電壓，同時(shí)允許連接接地參考探頭。測(cè)量上方 CVR 時(shí)，需要進(jìn)行具有高共模抑制的差分測(cè)量。

測(cè)量?jī)x器以及使用分流電阻器測(cè)量電流
一般來(lái)說(shuō)，分流電阻器通過(guò)產(chǎn)生較小的可測(cè)量電壓降來(lái)實(shí)現(xiàn)電流的準(zhǔn)確測(cè)量。要準(zhǔn)確測(cè)量電壓降，需要使用電流表、數(shù)字萬(wàn)用表 (DMM) 和示波器等儀器。
電流表和 DMM 是測(cè)量直流電和交流電的最佳選擇。它們是對(duì)交流和直流電源進(jìn)行快速準(zhǔn)確測(cè)量的首選工具。用于電流測(cè)量的儀表內(nèi)部通常嵌入一個(gè)或多個(gè)分流電阻器。使用不同的電阻器可以實(shí)現(xiàn)多種電流范圍。某些測(cè)量設(shè)備的測(cè)量結(jié)果極其精準(zhǔn)，例如，Keithley DMM7510 精密臺(tái)式萬(wàn)用表可以測(cè)量 pA (1x10-12 A) 級(jí)別的直流電和 nA (1x10-9 A) 級(jí)別交流電。大多數(shù) DDM 可以輕松地對(duì) 50/60 Hz 的信號(hào)進(jìn)行 RMS 測(cè)量，有些甚至可以測(cè)量高達(dá)幾千赫茲的信號(hào)，但是測(cè)量導(dǎo)線通常在低于 1 MHz的頻率下就達(dá)到其測(cè)量上限。

圖 3  DMM 具有內(nèi)置分流電阻器，用于準(zhǔn)確測(cè)量電流。這款 Keithley DMM7510 可以測(cè)量 pA (1x10-12 A) 級(jí)別的直流電。請(qǐng)注意右下角的 3 A 電流輸入端口，該輸入端口連接到其中一個(gè)內(nèi)部分流電阻器。此 DMM 的背面還提供 10 A 輸入端口。

從歷史上看，模擬電流表（或稱為檢流計(jì)）通過(guò)讓電流流過(guò)一個(gè)線圈來(lái)感應(yīng)電流，該線圈位于一個(gè)靈敏的儀表運(yùn)動(dòng)裝置中。在這些儀器中，分流電阻器被用作分流器，通過(guò)將電流“分流”至遠(yuǎn)離運(yùn)動(dòng)的地方，從而使儀表能夠測(cè)量更高的電流。盡管大多數(shù)現(xiàn)代儀器測(cè)量的是分流電阻器兩端的電壓降，但“分流”這個(gè)術(shù)語(yǔ)仍然保留了下來(lái)。
數(shù)字萬(wàn)用表 (DMM) 能夠測(cè)量電壓、電阻和電流。DMM 通常具有一個(gè)或多個(gè)內(nèi)置分流器，用于測(cè)量交流或直流電流。在交流或直流電壓模式下，DMM 還可以測(cè)量外部分流電阻器兩端的電壓降。使用帶分流電阻器的 DMM 時(shí)，萬(wàn)用表連接在兩側(cè)電阻端子上，用以測(cè)量電壓降并顯示相應(yīng)的電流值。DMM 非常適用于準(zhǔn)確讀取低電流和高電流電路中的電流，因此應(yīng)用非常廣泛。
電流表專為測(cè)量電流而設(shè)計(jì)，非常適合需要連續(xù)監(jiān)測(cè)電路電流的應(yīng)用。電流表通常內(nèi)置于電源或其他設(shè)備中，用于實(shí)時(shí)反饋。
使用示波器測(cè)量電流
對(duì)于直流和低頻交流電流測(cè)量，示波器通常不如 DMM 準(zhǔn)確，但對(duì)于測(cè)量兆赫茲級(jí)頻率的瞬態(tài)和快速變化電流，示波器非常有用。示波器還可以讓工程師直觀地看到被測(cè)設(shè)備中電流相對(duì)于其他活動(dòng)和參數(shù)的情況，其他活動(dòng)和參數(shù)包括電壓、開關(guān)事件、傳感器信號(hào)和控制信號(hào)。該功能在測(cè)試高速數(shù)字系統(tǒng)、牽引逆變器和電源等系統(tǒng)時(shí)特別有用，因?yàn)檫@些系統(tǒng)中的電流會(huì)隨著負(fù)載的變化而迅速上升或下降。
要測(cè)量電流，示波器必須配備能夠?qū)㈦娏鬓D(zhuǎn)換為電壓的探頭。電流轉(zhuǎn)換可以基于磁傳感器，也可以基于分流電阻器。兩種方法均可為示波器提供電壓信號(hào)，且電壓信號(hào)可數(shù)字化并隨時(shí)間變化進(jìn)行顯示。

圖 4  示波器可以使用鉗式電流探頭來(lái)測(cè)量電流，也可以通過(guò)測(cè)量分流電阻器兩端的電壓降來(lái)測(cè)量電流。在此示例中，電阻器未接地，因此使用了分流電流探頭。

磁電流探頭
互感器、羅氏線圈和霍爾效應(yīng)探頭與示波器協(xié)同工作，無(wú)需斷開電路即可測(cè)量電流。互感器和羅氏線圈僅可用于測(cè)量交流電。因此，示波器的交流/直流電流探頭將互感器作用與霍爾效應(yīng)傳感器結(jié)合在一起。如果可以在待測(cè)設(shè)備中設(shè)計(jì)或作為臨時(shí)測(cè)試點(diǎn)加入一段導(dǎo)線或母線，使用此類探頭則方便且有效。然而，即使是 TCP0030A 等高性能鉗式電流探頭，也有測(cè)量限制，最大可測(cè)量 120 Mhz 的電流，最小可測(cè)量 mA 級(jí)別的電流。盡管采用磁探頭測(cè)量時(shí)不需要“斷開電路”，但一定要記住，磁探頭確實(shí)會(huì)給被測(cè)電路引入感性負(fù)載，這在高頻測(cè)量時(shí)尤為顯著。在 120 Mhz 的頻率下，TCP0030A 的插入阻抗為 0.85 Ω。
分流電阻器兩端的電壓降
測(cè)量已知電阻器兩端的電壓降是一種測(cè)量電路電流的直接方法。被測(cè)設(shè)備內(nèi)任何已知低值串聯(lián)電阻均可用作電流測(cè)量分流器。也可以通過(guò)插入適當(dāng)額定值的電阻器與負(fù)載串聯(lián)，以添加測(cè)試點(diǎn)。如果示波器具有測(cè)量縮放功能（通常位于探頭菜單中），則可以將電壓讀數(shù)除以恒定電阻值來(lái)?yè)Q算出電流值。
? 如上所述，理想情況下，分流電阻器的一個(gè)引腳應(yīng)接地。如果電阻器的一條引腳接地，則可以使用無(wú)源接地參考探頭。如果電阻器的一個(gè)端子不能接地，則應(yīng)使用差分電壓探頭。即使使用差分探頭，也最好將分流電阻器放置在靠近接地的位置，以盡量減少共模電壓。
? 分流器的電阻必須遠(yuǎn)小于示波器或探頭的電阻。
? 對(duì)于高頻測(cè)量，分流電阻器的寄生電容和電感將產(chǎn)生影響，因此，應(yīng)使用專為高頻應(yīng)用而設(shè)計(jì)的感應(yīng)電阻器或 CVR。
雖然無(wú)源探頭和差分電壓探頭可用于測(cè)量分流電阻器兩端的電壓波形，但也有一些缺點(diǎn)：
? 通常會(huì)衰減信號(hào)，導(dǎo)致信噪比降低。
? 高輸入阻抗和分流電容會(huì)影響噪聲性能。
? 對(duì)于無(wú)法接地的分流器
? 不能使用無(wú)源探頭
? 差分探頭可能無(wú)法提供足夠的共模電壓抑制
? 共模抑制通常不足以防止噪聲

圖 5  TICP 系列 IsoVu 隔離電流探頭設(shè)計(jì)用于對(duì)浮地分流電阻器進(jìn)行高帶寬、低噪聲電流測(cè)量。

使用隔離電流探頭
在必須嚴(yán)格控制噪聲的情況下，可以使用特殊電流分流探頭。泰克 TICP 系列 IsoVu?隔離電流探頭就是能夠滿足此類特殊要求的系列探頭。這些探頭專門設(shè)計(jì)用于對(duì)分流電阻器兩端進(jìn)行低噪聲、高帶寬的電流測(cè)量。全新 TICP 系列隔離電流探頭包括以下主要特性：
? 帶寬分為 250 MHz、500 Mhz 和 1 GHz
? 與 1X 尖端一起使用時(shí)，衰減較低，輸入阻抗為 50 Ω。能夠最大限度地提高信噪比。
? 具有超過(guò) 1000 V 的共模電壓，適用于高壓電源轉(zhuǎn)換器。遠(yuǎn)高于常規(guī)差分電壓探頭。
? 1 MHz 時(shí)共模抑制比為 90 dB，顯著高于常規(guī)差分探頭。
分流電阻器相對(duì)于磁傳感器和霍爾效應(yīng)傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)
與使用磁傳感器和霍爾效應(yīng)傳感器相比，使用分流電阻器測(cè)量電流具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1)準(zhǔn)確：分流電阻器提供高度準(zhǔn)確的電流測(cè)量，并且通過(guò)設(shè)計(jì)可最大限度地減少對(duì)被測(cè)電路的影響。由于分流電阻器本質(zhì)上是電流電壓轉(zhuǎn)換器，因此測(cè)量準(zhǔn)確度取決于以下兩個(gè)因素：用于測(cè)量分流器兩端電壓降的儀器的精度，以及電阻值的穩(wěn)定性。
2)成本低：與磁傳感器和霍爾效應(yīng)傳感器等其他電流測(cè)量?jī)x器相比，分流電阻器成本低且易于實(shí)現(xiàn)。
3)多功能：同時(shí)適用于低電流和高電流系統(tǒng)，具體取決于材料和結(jié)構(gòu)。
使用分流電阻器測(cè)量電流具有以下主要缺點(diǎn)：
1)斷路：與磁傳感器和霍爾效應(yīng)傳感器不同，分流電阻器必須插入被測(cè)電路。對(duì)于有線連接，這很簡(jiǎn)單——電阻器可以直接串聯(lián)在電路中。而對(duì)于電路板，為了避免不得不切斷電路走線，必須設(shè)計(jì)有測(cè)試點(diǎn)。
2)電壓降：在電源和負(fù)載之間放置分流電阻器會(huì)降低負(fù)載可用的電壓。
3)功率耗散：分流電阻器的功率耗散與電流的平方成正比 (P = I2R)。