負(fù)載電流的測(cè)量方法分析

電流測(cè)量可用于監(jiān)測(cè)許多不同的參數(shù)，輸入功率就是其中之一。有許多采樣元件都可用來(lái)測(cè)量負(fù)載電流，但沒(méi)有一種元件能夠覆蓋所有應(yīng)用。每種采樣元件都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。比如，分流電阻器的功耗會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)效率下降，而且電流流過(guò)分流電阻器產(chǎn)生的壓降太大不適合低輸出壓的應(yīng)用。DCR（電感直流阻抗）電流檢測(cè)電路的優(yōu)點(diǎn)是可以無(wú)損的遙測(cè)開(kāi)關(guān)電源中的電流，但DCR采樣電路的采樣精度取決于外圍參數(shù)（R，C）與電感器的匹配精度?；魻杺鞲衅鞯膬?yōu)點(diǎn)是能夠無(wú)損的遠(yuǎn)程測(cè)量較大的電流，缺點(diǎn)是易受環(huán)境噪聲的影響不容易設(shè)計(jì)。

總之，對(duì)于具體的應(yīng)用，只有了解每種方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，才可以充分利用電流檢測(cè)領(lǐng)域的最新技術(shù)來(lái)改進(jìn)測(cè)量精度。

分流電阻器

只要在布局和選擇檢測(cè)電阻器時(shí)多加注意，即可使用分流電阻器來(lái)簡(jiǎn)單直接地測(cè)量電流。檢測(cè)電阻器的額定功率和溫度系數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)高精度的電流測(cè)量系統(tǒng)非常關(guān)鍵。由歐姆定律可知，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用檢測(cè)電阻器并非難事。其缺點(diǎn)是檢測(cè)電阻器會(huì)產(chǎn)生壓降，消耗功率，降低了應(yīng)用的效率。

在選擇感測(cè)電阻器阻值時(shí)，必須要知道檢測(cè)電阻器上的最大壓降和最大電流測(cè)量值。

首先，檢測(cè)電阻器上的壓降要盡量小，以降低檢測(cè)元件的功耗，減少發(fā)熱，檢測(cè)電阻發(fā)熱越少，溫度變化也越小，阻值隨溫度的變化也越小，其全范圍電流檢測(cè)的精度和穩(wěn)定性也會(huì)越好。

由于大多數(shù)電流檢測(cè)應(yīng)用中，最小和最大電流都是已知的，設(shè)計(jì)工程師需要選定分流電阻器的最大壓降。比如，假設(shè)被測(cè)電流是雙向的，最大分流器壓降定為±80mV，最大測(cè)量電流為±100A。分流電阻器的阻值可以使用公式1來(lái)計(jì)算。

公式1，使用歐姆定律來(lái)計(jì)算分流電阻器阻值

對(duì)這個(gè)例子來(lái)說(shuō)，分流電阻器阻值Rsense的計(jì)算結(jié)果為0.8mΩ。表1是其他滿(mǎn)量程電流情況下分流電阻器阻值的列表。

表1，對(duì)應(yīng)滿(mǎn)量程電流值和分流電阻器阻值以及最小額定功率

檢測(cè)電阻器的最小額定功率用公式2來(lái)計(jì)算。

公式2，計(jì)算感測(cè)電阻器的最小額定功率

如果檢測(cè)電阻器的最小額定功率計(jì)算結(jié)果為8W。一般經(jīng)驗(yàn)是選取公式2計(jì)算的額定功率的2倍。這樣一來(lái)，即使流過(guò)分流電阻器的電流偶爾大于其最大電流，感測(cè)電阻器也不至于發(fā)生故障。實(shí)際上，所選擇的檢測(cè)電阻器的額定功率與計(jì)算結(jié)果的比率越大，電阻器在大電流應(yīng)用中的溫升就越小。

檢測(cè)電阻器的溫度系數(shù)（TC）會(huì)直接影響電流測(cè)量的精度。檢測(cè)電阻器的環(huán)境溫度變化及電阻器的功耗引起的溫度變化都會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)電阻器阻值的變化。不同電流下電阻器溫度變化與電阻器的額定功率成反比。檢測(cè)電阻器溫度變化導(dǎo)致的阻值的變化，又會(huì)影響系統(tǒng)測(cè)量精度的變化。由于溫度升高而造成的電阻器的阻值變化可用公式3來(lái)計(jì)算。

公式3，計(jì)算溫度變化時(shí)阻值的變化

ΔTemperature是溫度變化值（單位：攝氏度）。RsenseTC是檢測(cè)電阻器的溫度系數(shù)。Rsense是感測(cè)電阻器在初始溫度下的阻值。

檢測(cè)元件阻值的變化與流過(guò)電阻器的電流成正比。檢測(cè)電阻器的封裝尺寸也可以影響了其溫升。選擇檢測(cè)電阻器時(shí)還應(yīng)當(dāng)考慮感測(cè)元件封裝重要參數(shù)的熱阻Θja。Θja是指電阻器與電阻器外部環(huán)境之間的熱阻。表2列出了常見(jiàn)表貼封裝的熱阻。

表2，表貼電阻器熱阻，引自Vishay應(yīng)用說(shuō)明書(shū)28844和60122

由表2可以看出，封裝越小，熱阻越大。

例如，阻值為0.8mΩ的檢測(cè)電阻器在流過(guò)它的電流為50A時(shí)會(huì)產(chǎn)生2W功耗，其溫度變化可用公式4來(lái)計(jì)算。

公式4，流過(guò)感測(cè)電阻器的電流與電阻器的溫度變化之間的關(guān)系式

在公式4中，I2*Rsense是分流電阻器耗散的功率。Θja是所選感測(cè)電阻器的熱阻。假設(shè)檢測(cè)電阻器的封裝尺寸是2512，則電阻器的溫度變化計(jì)算值為50℃。假設(shè)RsenseTC為100ppm/℃，使用公式3計(jì)算的阻值變化為4μΩ，4μΩ似乎不是一個(gè)很大的變化，但可比較阻值變化與總阻值的比例，流過(guò)電阻器的50A電流時(shí)，額定阻值變化0.5%，從而導(dǎo)致0.5%電流測(cè)量誤差。

由圖1可知，電阻器發(fā)熱而導(dǎo)致的電流測(cè)量誤差。越小的封裝越容易發(fā)熱，而且，越小的封裝能容許發(fā)熱功率也越低。在保持較小封裝的情況下，想要增加電阻的額定功率，可以選用較寬封裝。例如，0406封裝的熱阻大約等于1206封裝的熱阻。

圖1。由電阻器自熱造成的電流測(cè)量誤差曲線(xiàn)

實(shí)際應(yīng)用中，我們常常難以買(mǎi)到參數(shù)合適的分流電阻器，往往要么是分流電阻器的阻值不存在，要么是分流電阻器的額定功率太低，為了解決該問(wèn)題，可以使用并聯(lián)兩個(gè)或更多分流電阻器的方法來(lái)測(cè)量電流。

電感直流電阻（DCR）

DCR電流采樣電路是一種無(wú)損的采樣電路，其電路板空間也較小。但這種電路需要調(diào)試才能準(zhǔn)確的采樣，其需要在生產(chǎn)時(shí)采取額外的步驟來(lái)保證電路的準(zhǔn)確工作。另外無(wú)源元件的容差也會(huì)造成電路間測(cè)試精度的不同，如電感的溫度系數(shù)及電容的容差都會(huì)增加電流采樣的不準(zhǔn)確性。總體看來(lái)，DCR采樣電路適合于粗略的測(cè)量電流，其可以滿(mǎn)足開(kāi)關(guān)電源中無(wú)損電流采樣的目的。DCR采樣電路常用于低輸出電壓的應(yīng)用（在此類(lèi)應(yīng)用中，若用電阻器采樣，其壓降會(huì)占輸出電壓很大的百分比）。低輸出電壓通常指低于1.5V的輸出電壓。