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電阻電流檢測的基本原理詳解?

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電阻電流檢測的基本原理詳解?

發布日期:2023-09-18 作者: 點擊:


   電流檢測電阻,也稱為分流器,為人所知已有數十年之久。但是,目前電阻的應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據采集系統。為研發人員開辟了十年前無法想象的應用領域。

    車輛驅動的控制和調節大多要求工作電流在1-100A之間,在特殊情況下(例如,氧傳感器預熱),短時間內要求2-300A的電流,車輛啟動時電流可達到1500A。在電池和電源管理系統中,還有更為極端的情況:車輛運行中,持續電流為100-300A;而在靜止狀態下,電流只有幾毫安,所有這些都必須精確檢測出來。

在最小的空間實現最佳的檢測結果是汽車行業對汽車電子系統最常見的要求之一。這正是分流器技術的優勢。但是,由于電阻本身結構和電阻材料會導致電阻在實際應用中產生完全不同的效果,僅僅通過比較數據表還無法找到合適的電阻。以下將通過計算示例描述一些實現最佳設計的重要參數。

電阻電流檢測的基本原理

   根據歐姆定律,在檢測通過電阻的電流時,電勢差被作為電流檢測的直接檢測值。毫無疑問,用高于1Ohm的電阻可以檢測數百毫安的電流。但如果電流達10-20安培,情況就完全不同了,因為電阻中的功耗(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相應降低,檢測的阻值往往會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=熱電動勢

Uind=感應電壓

Uiext=端口引線壓降

   上述情況,與電流無關的因素引起的誤差電壓會影響檢測結果,因此設計人員必須清楚了解這個原因,并且應通過合理的布線設計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、時間、電壓、頻率等眾多參數的影響。

R=R(T,t,P,Hz,U,A,μ,p,....)

理想的完全不受以上參數影響的電流檢測電阻是不存在的,那么實際的電阻可通過下文表格中所列的特性參數,例如電阻溫度系數、長期穩定性、熱電動勢、功率負荷、電感、線性度等來表述。

其中的部分特性本質上取決于材料,其它一些特性受元器件設計的影響,再有一些特性由生產工藝決定,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,其優異的特性奠定了精密檢測技術的基礎,例如也用于標準電阻器中。其他合金材料Isaohm和Zeranin以其132和29μOhm*cm的電阻率系數分別向上及向下補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,并且成功地應用了數年之久,而其中Manganin合金因在世界上廣泛的知名度承擔了特殊角色。

在過去25年,為了應對基于磁場的電流檢測方法的發展,Isabellenhütte致力于通過對分流電阻的物理優化更加廣泛的拓展了精確檢測電流的范圍。隨著補償、溫度系數和運算放大器干擾信號得到一步步的改進,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,同時由于故障電壓(其中包括干擾、熱電動勢等)導致相對誤差的極大增加,諸如低電感和低熱電動勢等等的特性就極為重要。

在下面的內容中,我們將簡要討論一些最重要的技術參數。

溫度系數(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,因此可以生產具有極高可復制性和極低批次差異的電阻器。


溫度系數以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的上限溫度,例如TCR(20-60)。低阻值范圍內通常采用TCR值為幾百個ppm/K的厚膜技術電阻器。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致電阻值變化超出1%。這樣電阻器無法進行精確的電流檢測。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值達到4000ppm/K(或0.4%/K),也就是說僅僅10°C的溫度變化都足以導致4%的阻值漂移。

熱電動勢(Uth)

當溫度輕微升高或者降低時,在不同材料的接觸面上會產生所謂的熱電動勢,這種效應對低阻值電阻的影響尤其值得關注,因為通常在此處檢測的電壓非常微小,所以微伏級的熱電動勢能夠嚴重地影響檢測結果。

    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40μV/K。由于10℃的溫差導致400μV的電壓誤差,使用1毫歐的分流電阻檢測4A電流,檢測結果誤差增大了10%。更為嚴重的是,假如考慮到電阻尺寸,經常被忽略的珀爾帖效應(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熔化)。即使檢測電路在恒定電流狀態下,由于珀爾帖效應(Peltiereffect)而產生的溫差及溫差電動勢也會導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,根據設計規格和阻值的不同,電流誤差能有幾個百分點或達到幾個安培。上面提到的精密電阻合金與銅在熱電動勢方面完全匹配,上述的效應可以完全被忽略,例如,0.3mOhm電阻器會在切斷100A的電流之后產生不到1μV的電壓(對應于3mA的電流)。

長期穩定性

長期穩定性對于任何傳感器都極為重要,因為即使在使用數年之后,用戶仍希望它能夠保持最初校準的精度。這意味著電阻材料必須耐腐蝕,而且在使用壽命周期內不得發生任何合金成分變化。介質均勻的復合合金Manganin、Zeranin和Isaohm經過嚴謹的鍛燒和穩定處理從而達到熱力學基本狀態。這類的合金的穩定性可以保持在ppm/年范圍內,就像百余年來Isabellenhütte(伊薩公司)憑借其作為國際檢測定標的標準電阻器向世人所展示和證實的一樣。


圖表中展示了在140°C溫度下工作超過1000小時的貼片電阻器的穩定性曲線。大約-0.2%的輕微漂移是由于生產過程中微小變形所導致的柵格缺損的所引起的,并且說明元件進一步趨于穩定,也就是說穩定性將變得更好。阻值漂移速度很大程度取決于溫度,因此溫度在+100℃時,這種漂移實際是檢測不出來的。


四端子連接技術

在低阻值電阻器的情況下端子及引線的影響是不能被忽略的,因此必須直接連接電阻材料兩端的附加端子來進行電壓檢測。


示例說明有缺陷的電阻結構和不恰當的布線設計會引起非常大的誤差。一個10mOhm兩端子繞線電阻,銅引線的電阻占據了總電阻的20%,而僅一小段4mm的銅引線便可使電阻產生100%的偏差。

盡管端子和引線的冗余電阻可以通過補償校準來消除,但它對總電阻的溫度系數有著極大的影響。(如下圖所示)


盡管在本示例中,銅的比例極小,僅占2%(與上述示例中24%形成鮮明對比,TCR還是從接近零增至大約+80ppm/K。這意味著在產品規格書中給出所使用電阻材料TCR值的做法是絕對沒有價值的。

由電子束焊接的合成材料Cu-Manganin-Cu制造的電阻器實際上具有非常低的端子電阻,并且通過合適的布線設計,可以重新使用兩端子結構電阻器,通過合理布板設計、焊接等實現四端子連接性能。但是,在設計布局過程中,務必注意電阻器中的電流通路不能觸及電壓連接線(電壓傳感線路)。如果可能,應將傳感線路從電阻器內部以微帶線的形式連接到端子。

高功率負荷

由于與銅相比,電阻材料的熱導性相對較弱,而且電阻器大多數使用厚度介于20-150μm之間的蝕刻結構的合金箔,因此不可能通過電阻材料將功耗轉化成的熱量傳導到端子中。所以Isa-Plan系列電阻采用一種很薄的、導熱性強的粘合劑來將電阻合金箔粘在一種同樣具有良好導熱性的基板上(銅或鋁)。通過這種方式可以非常有效地將熱量通過基板和端子散發到外部,最終實現相對很低的熱內阻(通常為10-30K/W)。

反過來,這種結構的電阻可以在非常高的端子溫度下滿負荷工作,也就是說功率折減點在很高的溫度下才出現;同時電阻材料的最高溫度可以維持在較低水平,這就可以有效改善電阻的長期穩定性和因溫度而引起的阻值變化。


使用復合材料的極低阻值電阻器,Manganin橫截面積及機械強度非常之大,以至于無需使用任何基板,這也就意味著電阻材料具有非常好的導熱性及相對低的熱內阻。例如對于1毫歐的電阻,熱內阻大約10K/W,對于100微歐的電阻,熱內阻甚至只有1K/W。

低電感

目前的許多應用中需要檢測和控制開關調制電流,因此分流器的寄生電感參數非常重要。表面貼裝電阻器的生產中采用特殊的低電感平面設計并選擇具有或不具有緊密相鄰的波形紋結構。上面所提到的精密合金的抗磁性,金屬底板結構以及四端子連接又進一步實現了低電感。


但是,由于電壓取樣連接線和電阻器構成了環狀的天線結構,為了避免其間因電流通過產生的磁場和外圍磁場而形成的感應電壓,需要特別強調要使電壓取樣的信號線圍成的區域越小越好,最理想的是條狀線設計。與放大器連接的兩條取樣信號線要設計得盡量靠近或者最好在PCB的不同層面之間平行布線,不合適的布局(紅線所示)的后果是,這種天線效應會遠遠加大電阻的實際電感。 

低阻值

盡管在高電流和低電阻時運用了四端子設計,但例如實際中經常被應用的由Manganin合金帶直接沖壓而成的電阻器(如圖a)并不算是最佳方案,因為雖然四端子電阻,其TCR和熱電動勢比較好,但總電阻值高出實際測量阻值的2-3倍。


由此導致電阻比較高的功耗和溫升。此外,電阻器材料很難單以通過螺釘和焊接與銅連接,導致接觸面的電阻值加大,從而進一步增加功耗。


通過由復合材料沖壓的電阻器很大程度上減少這些誤差??傠娮柙黾硬坏?0%,客戶同樣可以使用認可的銅-銅連接技術。

尺寸規格和應用

出于成本和微型化的考慮,在汽車電子工業中,愈來愈廣泛的使用阻值從200μOhm起的表面貼裝(SMD)電阻,檢測高達100A的電流。下面將介紹一些電阻器的尺寸規格、特征和應用示例。所有示例是兩端子設計,通過優化物理結構和合適的PCB板布線可以實現四端子技術的絕對精確檢測。


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