取樣電阻(三)

對于電流檢測,過去的二十年間兩種不同原理的檢測方法占據(jù)著這個市場,基于磁場的檢測方法和基于分流器的檢測方法.基于磁場的檢測方法(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,因此主要在驅(qū)動技術(shù)和大電流領(lǐng)域被電子工程師們選用,但它的缺點是體積較大,補償特性、線性以及溫度特性不理想.

在過去的幾年間,由于小體積的高精度低阻值電阻器的實用化,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,是無法想象的.

車身電子控制系統(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),會有短時間200-300A的電流,車輛的啟動電流甚至高達(dá)1500A.在電池和電源管理系統(tǒng)中,還有更極端的情況,車輛運行時持續(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出來.

電流檢測電阻的基本原理:

根據(jù)歐姆定律,當(dāng)被測電流流過電阻時,電阻兩端的電壓與電流成正比.當(dāng)1W的電阻通過的電流為幾百毫安時,這種設(shè)計是沒有問題的.然而如果電流達(dá)到10-20A,情況就完全不同,因為在電阻上損耗的功率(P=I2xR)就不容忽視了.我們可以通過降低電阻阻值來降低功率損耗,但電阻兩端的電壓也會相應(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算電阻兩端的電壓:

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

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

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

很多種導(dǎo)電材料可以用來制造電阻,但是這樣的元件并不太適合做電流取樣.因為電阻阻值與溫度,時間,電壓和頻率等參數(shù)有關(guān),R=R (T,t,P,Hz,U,A,m,p,...).

實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)

理想的電流檢測電阻應(yīng)該完全與這些參數(shù)無關(guān),當(dāng)然這樣的電阻是不存在的.實際的電阻特性見表1,包括溫度系數(shù)TCR,長期穩(wěn)定性,熱電動勢,負(fù)載能力,電感和線性度,其中的部分特性由材料本身決定;部分特性由元件設(shè)計決定,還有一些參數(shù)決定于生產(chǎn)制程.

早在1889年,德國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量技術(shù)的基礎(chǔ),后來該公司又發(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足了全球?qū)﹄娮璨牧系男枨蟛⑶议L期被精密電阻廠商成功應(yīng)用.

過去25年,為了應(yīng)對基于磁場的電流檢測方法的發(fā)展,Isabellenhuette公司致力于通過對分流器電阻進(jìn)行物理優(yōu)化進(jìn)而擴展分流器的電流檢測的量程.與此同時,半導(dǎo)體公司已經(jīng)改進(jìn)了運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)計中選用毫歐級阻值的分流電阻,解決了大電流條件下的高功率損耗問題.但隨之而來的代價是因為干擾和熱電效應(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勢就顯得特別重要.

一,溫度系數(shù)

是錳鎳銅合金電阻的典型溫度特性曲線,溫度系數(shù)TCR單位為ppm/K,在20或25℃ 時,TCR=[R(T)-R(T0)]/R(T0) ×(T-T0),對于溫度系數(shù)的定義,制造商標(biāo)明溫度的上限是必要的,舉例說明在+20 -+60℃的溫度范圍內(nèi),測量系統(tǒng)經(jīng)常選用TCR為幾百個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1%,這樣的電阻是不能用于精確電流測量的,有些測量設(shè)備制造商甚至使用PCB走線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,熱電動勢

當(dāng)溫度輕微升高或者降低時,在不同材料的接觸面上會產(chǎn)生熱電勢,這種效應(yīng)對低阻值電阻的影響非常重要,盡管通常情況下熱電勢數(shù)值非常小,但微伏級的熱電勢能夠嚴(yán)重地影響測量結(jié)果.

直到今天,電阻合金康銅依舊是繞線和沖壓分流器(在片狀材料上進(jìn)行模壓)的主要材料,盡管它有良好的TCR,但其對銅的熱電勢高達(dá)40mV/K.例如,使用1毫歐的分流電阻檢測4A電流,10℃的溫差就能產(chǎn)生400mV的電壓差,相當(dāng)于測量結(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)常被忽略的珀爾帖效應(yīng)(Peltier effect)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(非常極端的例子是焊接部位熔化).即使被測電路工作在恒定電流狀態(tài)下,由于珀爾帖效應(yīng)(Peltier effect)而產(chǎn)生的溫差也會導(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,測量結(jié)果會顯示有明顯的電流存在,根據(jù)設(shè)計和阻值的不同,電流誤差能有幾個百分點或達(dá)到幾個安培.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產(chǎn)生熱電壓,設(shè)計者甚至可以忽略珀爾帖效應(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電流的時侯,熱電勢產(chǎn)生的電流小于3mA.

三,長期穩(wěn)定性

對于任何傳感器來說,長期穩(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.要使測量元件滿足這些要求,可以使用同質(zhì)復(fù)合晶體組成的合金,通過退火和穩(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,使其能用于標(biāo)準(zhǔn)電阻.

表面貼裝電阻 在140℃下老化1000小時后阻值只有大約-0.2%的輕微漂移,這是由于生產(chǎn)過程中輕微變形而導(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℃,這種漂移實際是檢測不出來的.

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,實際設(shè)計中應(yīng)充分考慮這些因素,可以使用附加的取樣端子直接測量金屬材料兩端的電壓.如圖3所示,一個四端子的連接將允許測量系統(tǒng)實際用到的阻值為R0,而普通的連接的阻值為R0+2xRCu .例如,10 mm長0.3 mm線徑的銅線會增加2.4 mW的RCu阻值,4mm長0.2mm寬 35mm厚度的PCB引線的RCu阻值是10mW.

一個四端子的連接將允許測量系統(tǒng)實際用到的阻值為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)或者布線不合理都會導(dǎo)致非常大的誤差,對于10毫歐兩端子電阻器,銅連接線占了總阻值的24%,甚至很短的4mm的PCB布線已經(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絕對是不可以被接受也是沒有價值的.

四端子連接使得測量系統(tǒng)可以從高可靠性的感測元件直接獲取信號

由電子束焊接的銅-錳鎳銅電阻實際上具有這樣低的端子阻值,通過合理的布線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)計時一定要注意取樣電壓的信號連線不能直接連接取樣電阻的電流通道上,如果可能的話,最好能夠從取樣電阻下面連接到電流端子并設(shè)計成微帶線.

五, 高負(fù)載功率

因為電阻材料的導(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,因此無法通過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)給周圍環(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,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械強度很大,所以沒必要使用底板,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)計和合金材料的抗磁特性,金屬底板,以及四引線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環(huán)狀結(jié)構(gòu),為了避免其間因電流產(chǎn)生的磁場和外圍磁場而形成的感應(yīng)電壓,需要特別強調(diào)要使取樣的信號線形成的區(qū)域越小越好,最理想的是微帶線設(shè)計,例如,與放大器連接的兩條取樣信號線要設(shè)計得盡量靠近或者最好在PCB的不同層面之間平行布線,最差的設(shè)計是天線效應(yīng)會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出電阻本身實際電感的影響.

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

七,低阻值

四引線設(shè)計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.盡管四引線電阻有利于改進(jìn)溫度特性和熱電壓,但總阻值有時高出實際阻值2到3倍,這會導(dǎo)致難以接受的功率損耗和溫升.此外,電阻材料很難通過螺絲或焊接與銅連接,也會增加接觸電阻以及造成更大的損耗.