高精度極限電阻的測試技巧

2020-12-27 EDN電子設計技術

據是德科技大中國區電源和通用產品市場經理饒騫介紹，電路設計中會用到不同阻值的電阻，小到mΩ、μΩ的大電流分流器，大到GΩ、TΩ的絕緣材料。為了提升設計的可靠性，需要對這些器件做高精度驗證和測量，但是這極具挑戰性。bNoednc

饒騫分析了傳統的極限電阻測試中存在的問題，提出了針對不同阻值的極限電阻的精確測量手段和方法，包括三個部分：小電阻的高精度測量、超高電阻測量、材料漏電流或絕緣阻抗測量。bNoednc

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小電阻的高精度測量

他介紹說，眾所周知的電阻測量方法是採用數字萬用表（根據歐姆定律），2線法比較常用，但是要提升電阻的測量精度，就必須轉為4線法測量，從而抵消測試引線電阻。bNoednc

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但是事情沒有這麼簡單。以10mΩ小電阻、4線法，以及用34465A（6½位）高精度萬用表測量為例，讀數為16.5mΩ，有65%誤差。問題出在哪？最小100Ω電阻檔對應的測試電流只有1mA，因此所產生壓降只有50mΩ×1mA=50μV。而最小DC電壓測量檔為100mV，兩者相差2000倍，量程誤差太大，因此不能實現精準測試。bNoednc

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如何改進呢？他介紹說可以採用34420A納伏微歐表（最小1Ω電阻檔對應測試電流1mA，最小DC電壓檔1mV）並通過增大測量時間（以便平均掉差模噪聲）來改進（註：PLC是指工頻時間）。bNoednc

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如果還嫌測量精度不夠，則可以採用B2900高精度電流源來進一步改進——其精度和6½位萬用表差不多，但驅動電流可以大1000倍。bNoednc

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此外，還可以採用B2900電流源（只是用低噪聲電流源而不是用其測量功能）+34420A納伏微歐表來再進一步提高測量精度。bNoednc

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此外，電流會引起熱偏置電壓以及自熱現象而對測量不利。要消除這兩種不利影響，則可以使用B2961A的正負電流激勵來消除電阻兩端的熱電勢，或使用脈衝電流來降低自熱。bNoednc

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不同注入電流給電阻測量值帶來的影響：優化注入電流，獲得最佳測試精度（從圖可知，500mA下的曲線最優）。bNoednc

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那麼，有人又想知道小電阻（比如大電流分流器）在大電流情況下的真實情況怎樣（從而在軟體建模時進行修正）。這時就可以採用RP79APS高性能電源系統，最大單機電流800A，電流測量精度達到0.03%，電壓測量精度0.02%。然後採用數字萬用表34401A測量電壓，用數據採集器DAQ970A+DAQM901A模塊監測溫度，就可以觀察到其在不同電流下以及不同溫度下的電阻值是多少。bNoednc

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這種測量方法還可以用來測量充電頭的接觸阻抗變化（氧化，最終導致爆炸）。這裡就可以利用Bench Vue軟體來實現全自動測試，去觀察小電阻相對於大電流以及溫度的變化，他補充說。這時候就可以輕鬆對儲能電站或電動汽車等應用中所用的大電流傳感器進行定標。bNoednc

超高電阻測量

超高電阻測量，比如上GΩ或上TΩ的電阻的測量，其挑戰是測量小電流。比如100GΩ電阻加上1V電壓，其電流僅為10pA。這樣的電流太小而很容易受到幹擾而產生較大波動，有時甚至偏離成負值而使電阻測量值為負。bNoednc

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業界測這種絕緣電阻常用的電壓檔位有100V、200V、500V和1000V。「我們測這種小電流真的是要武裝到牙齒。」他強調說。bNoednc

首先，測電流時，為了抑制幹擾，通常採用同軸電纜或者雙絞線來接線。但在測量這種小電流時這樣的接線已經遠遠不夠——這時需要用到三同軸電纜（多了一層Guard層：保安或隔離）。bNoednc

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同軸電纜的信號線與接地線之間即便填充了絕緣材料，其阻值也不可能做到無限高。假如其為1GΩ的絕緣，如果加100V電壓，則其漏電流為100nA。但我們要測的是pA級電流，這樣的漏電流就會把真實信號淹沒，他解釋說。bNoednc

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三同軸電纜的Guard層可提供跟中間信號線等電位的電動勢，這樣就可以防止內部信號線上的電流通過絕緣材料流到地。也等於給它人為製造了一個非常大的阻抗。這樣就可以把漏電流做得非常的小。bNoednc

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然後，還要解決測試環境和測試治具的屏蔽問題。例如為待測電阻加屏蔽，以及為測試治具加屏蔽箱。這樣才能有效防止電壓線對電流線所產生的幹擾，以及寄生電容的影響。bNoednc

材料漏電流或絕緣阻抗測量

解決大電阻待測器件的問題後，還有一類極限電阻測量是測絕緣材料。絕緣材料包含兩種阻值：表面電阻和體電阻。bNoednc

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這兩種電阻的測試也是採用高阻計進行，但是需要為其定製測試夾具（大環套小環的結構）。在上下電極兩端加電壓測得電流，再除以距離，即得體電阻率。測表面電阻則是將電壓加在下電極的外環和內環之間，這樣就可以測得表面電流，進而得到表面電阻。bNoednc

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利用類似測量方法還可以對鉭電容的漏電流進行測量——鉭電容的DC絕緣電阻需要測量，這裡有漏電流存在。這時需要注意電容有充電和材料極化過程，在穩定後即可讀數。bNoednc

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