電阻電流檢測的基本原理詳解

2020-12-27 電子產品世界

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於以往的狹窄範圍，阻值極低並幾乎沒有誤差的電阻和非常精確的檢測數據採集系統。為研發人員開闢了十年前無法想像的應用領域。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/194238.htm

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，由於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，用高於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，但由於檢測的電壓也同時相應降低，檢測的阻值往往會受到估值解析度和精度的限制。

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=埠引線壓降

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，並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製作電阻。但是這樣的元器件根本不適合用於電流採樣，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，那麼實際的電阻可通過下文表格中所列的特性參數，例如電阻溫度係數、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於材料，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）研製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，例如也用於標準電阻器中。其他合金材料Isaohm和Zeranin以其132和29μOhm*cm的電阻率係數分別向上及向下補充和拓展了電阻率範圍。所有合金很大程度上滿足了電阻材料要求，並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，為了應對基於磁場的電流檢測方法的發展，Isabellenhütte致力於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範圍。隨著補償、溫度係數和運算放大器幹擾信號得到一步步的改進，所選的電阻值可以降低至毫歐範圍，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，同時由於故障電壓（其中包括幹擾、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。

溫度係數(TCR)

圖表顯示的是Manganin電阻的典型拋物線溫度特性曲線。由於此特性僅由材料成分決定，因此可以生產具有極高可複製性和極低批次差異的電阻器。

溫度係數以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，則還必須給出用於檢測溫度係數的上限溫度，例如TCR(20-60)。低阻值範圍內通常採用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的電阻的溫度特徵，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，由於銅的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）依舊是繞線和衝壓分流器的主要材料之一，儘管它具有良好的TCR，但其對銅的熱電勢高達40μV/K。由於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)。即使檢測電路在恆定電流狀態下，由於珀爾帖效應(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。在切斷電源之後，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的電流之後產生不到1μV的電壓（對應於3mA的電流）。

長期穩定性

長期穩定性對於任何傳感器都極為重要，因為即使在使用數年之後，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。介質均勻的複合合金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/年範圍內，就像百餘年來Isabellenhütte（伊薩公司）憑藉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%的輕微漂移是由於生產過程中微小變形所導致的柵格缺損的所引起的，並且說明元件進一步趨於穩定，也就是說穩定性將變得更好。阻值漂移速度很大程度取決於溫度，因此溫度在+100℃時，這種漂移實際是檢測不出來的。

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