毫歐姆電阻在汽車電子系統中的應用
2020-11-26 電子產品世界
對於電流檢測，過去的二十年間兩種不同原理的檢測方法佔據著這個市場，基於磁場的檢測方法和基於分流器的檢測方法。基於磁場的檢測方法(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點，因此主要在驅動技術和大電流領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，由於小體積的高精度低阻值電阻器的實用化，以及數據採集和處理器性能的大幅度提升，已經導致傳統的基於分流器的電流檢測方法的技術革新，並使新的應用成為可能，這在十年前，是無法想像的。
車身電子控制系統的工作電流大多在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1500A。在電池和電源管理系統中，還有更極端的情況，車輛運行時持續電流為100-300A，而在靜止狀態，電流只有幾毫安，這也需要被精確檢測出來。
表1 實際的電阻性能或多或少都和它的基礎材料以及生產製程有關
基本原理
根據歐姆定律，當被測電流流過電阻時，電阻兩端的電壓與電流成正比。當1W的電阻通過的電流為幾百毫安時，這種設計是沒有問題的。然而如果電流達到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降低，所以基於取樣解析度的考慮，電阻的阻值也不允許太低。
通常，下面的公式適用於計算電阻兩端的電壓：
U=RxI+Uth+Uind +Uiext+......
其中Uth是熱電動勢，Uind 是感應電壓，Uiext是PCB引線上微小電流引起的壓降。
其中與電流無關的因素而導致的誤差電壓能夠直接影響到測量的精度，因此設計者應該了解這些因素並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的影響。
很多種導電材料可以用來製造電阻，但是這樣的元件並不太適合做電流取樣。因為電阻阻值與溫度，時間，電壓和頻率等參數有關，R=R (T，t，P，Hz，U，A，m，p，...)。
理想的電流檢測電阻應該完全與這些參數無關，當然這樣的電阻是不存在的。實際的電阻特性見表1，包括溫度係數TCR，長期穩定性，熱電動勢，負載能力，電感和線性度，其中的部分特性由材料本身決定；部分特性由元件設計決定，還有一些參數決定於生產製程。
早在1889年，德國Isabellenhuette公司發明了精密電阻合金錳鎳銅(Manganin)，其優良的特性奠定了精密測量技術的基礎，後來該公司又發明了Isaohm 和 Zeranin，它們的電阻係數分別達到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對電阻材料的需求並且長期被精密電阻廠商成功應用。
過去25年，為了應對基於磁場的電流檢測方法的發展，Isabellenhuette公司致力於通過對分流器電阻進行物理優化進而擴展分流器的電流檢測的量程。與此同時，半導體公司已經改進了運算放大器的諸多特性比如漂移，溫度係數和噪聲，這促使電子工程師可以在設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幹擾和熱電效應等因素而引起的相關誤差也大大增加，因此降低寄生電感和抑制熱電動勢就顯得特別重要。
溫度係數
圖1 是錳鎳銅合金電阻的典型溫度特性曲線，溫度係數TCR單位為ppm/K，在20或25℃ 時，TCR=［R(T)-R(T0)］/R(T0) ×(T-T0)，對於溫度係數的定義，製造商標明溫度的上限是必要的，舉例說明在+20 -+60℃的溫度範圍內，測量系統經常選用TCR為幾百個ppm/K 的低阻值的厚膜電阻器，圖1中紅色曲線表示TCR 為200 ppm/K的電阻器的溫度特性，即使在如此小的範圍內，+50℃的溫度變化就足以導致阻值變化超過1%，這樣的電阻是不能用於精確電流測量的，有些測量設備製造商甚至使用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。
圖1 錳鎳銅合金電阻的典型溫度特性曲線
熱電動勢
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熱電勢，這種效應對低阻值電阻的影響非常重要，儘管通常情況下熱電勢數值非常小，但微伏級的熱電勢能夠嚴重地影響測量結果。
直到今天，電阻合金康銅依舊是繞線和衝壓分流器(在片狀材料上進行模壓)的主要材料，儘管它有良好的TCR，但其對銅的熱電勢高達40mV/K。例如，使用1毫歐的分流電阻檢測4A電流，10℃的溫差就能產生400mV的電壓差，相當於測量結果誤差增大了10%。更嚴重的情況是，假如考慮到電阻尺寸，經常被忽略的珀爾帖效應(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恆定電流狀態下，由於珀爾帖效應(Peltier effect)而產生的溫差也會導致有電壓存在，顯示電流是不恆定的。關斷電流之後，在溫差消失之前，測量結果會顯示有明顯的電流存在，根據設計和阻值的不同，電流誤差能有幾個百分點或達到幾個安培。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生熱電壓，設計者甚至可以忽略珀爾帖效應(Peltier effect)。比如使用一隻0.3mW的電阻，產生的熱電壓小於1mV，在關掉100A電流的時侯，熱電勢產生的電流小於3mA。
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