你應(yīng)該知道的電流檢測(cè)電阻選擇權(quán)衡

 測(cè)量已知電阻器上的電壓似乎是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的任務(wù)。然而，為了正確可靠地設(shè)計(jì)電流檢測(cè)分流電阻器，即我們說(shuō)的合金電阻，必須牢記一些考慮和權(quán)衡因素。

電流檢測(cè)電阻的大小

它以 V = IR 開(kāi)始

在許多設(shè)計(jì)中，必須測(cè)量流向負(fù)載或進(jìn)出電池的電流。有幾種方法可以做到這一點(diǎn)，其中廣泛使用的是通過(guò)檢測(cè)電阻器。這個(gè)想法很簡(jiǎn)單：在載流引線上串聯(lián)一個(gè)已知值的電阻器，測(cè)量它兩端的電壓降，做簡(jiǎn)單的 I = V/R 數(shù)學(xué)運(yùn)算（可以用數(shù)字方式完成，但通常用模擬電路來(lái)完成） )，您就完成了（圖 1）。（注意：這種串聯(lián)電阻通常被稱為“分流”電阻，這是用詞不當(dāng)，因?yàn)檎嬲姆至髌髋c負(fù)載并聯(lián)。）

這種傳感解決方案看起來(lái)相當(dāng)簡(jiǎn)單，而且理論上確實(shí)如此。但工程設(shè)計(jì)是原則與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合的地方，也是做出平衡決定的地方。這里顯而易見(jiàn)的問(wèn)題是該貼片電阻器使用的電阻值是多少，這就是權(quán)衡開(kāi)始的地方：

一方面，更大的電阻器使電壓讀數(shù)更容易并提供更高的分辨率，因?yàn)樗黾恿藙?dòng)態(tài)范圍并提高了電壓讀數(shù)的信噪比 (SNR)。

然而，該較大值的電阻器也會(huì)“搶奪”負(fù)載的可用軌電壓，因?yàn)閴航祻牡截?fù)載的電源軌電壓中減去。因此，就*小化負(fù)載的可用電壓損失而言，較小的電阻器更好。

一些基本的數(shù)學(xué)表明了這種困境?？紤]一個(gè) 5V 電源軌為負(fù)載提供適度的 2A *大值，這兩個(gè)值都是合理的中間值。100-mΩ 電阻器將產(chǎn)生*大 200-mV 壓降，當(dāng)您嘗試在存在噪聲和其他干擾的情況下嘗試測(cè)量電流至 1%（此處為 2 mV）時(shí)，這不是一個(gè)大值電路問(wèn)題。此外，200 mV 的壓降代表 200 mV/5V = 0.04 或軌的 4%，這是很多“放棄”。

此外，從電源到負(fù)載到地（或電路公共端）的輸出環(huán)路中的電阻器可能會(huì)影響環(huán)路動(dòng)態(tài)和瞬態(tài)響應(yīng)。源及其控制器將該電阻器視為其負(fù)載的一部分，但它不是源試圖提供的實(shí)際負(fù)載的一部分（在圖 1 中指定為“負(fù)載” ）。源感知的負(fù)載與真實(shí)負(fù)載之間存在不匹配，這會(huì)影響預(yù)期與實(shí)際性能。電阻器 (P = I 2 R)消耗的任何功率也會(huì)增加系統(tǒng)效率。

因此，感應(yīng)電阻器的困境很明顯：較高的電阻值會(huì)導(dǎo)致較大的電壓降（有利于測(cè)量），但也會(huì)“竊取”更多可提供給負(fù)載的軌*大電壓，對(duì)輸出環(huán)路動(dòng)態(tài)和降低效率（全壞）。

什么是可接受的電壓降和相應(yīng)電阻值的“經(jīng)驗(yàn)法則”起點(diǎn)？事實(shí)證明，在從低電壓/低電流設(shè)計(jì)到更高設(shè)計(jì)的各種情況下，100 mV 壓降似乎是一個(gè)很好的起點(diǎn)。鑒于此電壓降和*大電流，計(jì)算正確的電阻值很簡(jiǎn)單。

電流檢測(cè)通常使用哪些電阻值？對(duì)于習(xí)慣于選擇 1、10 甚至 100 千歐電阻的設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，這可能是一個(gè)驚喜。算一下，您會(huì)發(fā)現(xiàn)電阻通常低于 1 歐姆，并且通常遠(yuǎn)低于該值，達(dá)到個(gè)位數(shù)毫歐甚至更低。這些“奇怪的”值被廣泛使用，以至于它們是多個(gè)供應(yīng)商提供的許多配置和額定值的標(biāo)準(zhǔn)組件。

這個(gè)故事不僅僅是選擇一個(gè)低值的電阻器（超低阻值貼片電阻

），因?yàn)閷?duì)讀取分辨率、SNR 和浪費(fèi)的干線電壓的影響只是問(wèn)題的一個(gè)方面。另一個(gè)考慮因素也很重要，但更難評(píng)估：

自熱效應(yīng)

由于溫度系數(shù)和由此產(chǎn)生的漂移，檢測(cè)電阻值會(huì)發(fā)生自熱。與電阻器 I 2 R 自熱功耗相關(guān)的熱影響非常顯著，并且會(huì)影響讀數(shù)的完整性以及電阻器的選擇。

這種不可避免的自熱有幾個(gè)負(fù)面后果：

它代表熱量，它會(huì)增加系統(tǒng)的熱負(fù)荷，因此必須加以管理和消除。

它代表電力浪費(fèi)和效率降低，從而縮短了電池供電產(chǎn)品的運(yùn)行時(shí)間。

也許不太明顯但特別重要的是，熱量會(huì)導(dǎo)致電流感應(yīng)電阻器的溫度升高，這會(huì)改變電阻器的值，??從而影響電流確定的可信度（由“已知”電阻器兩端的電壓讀數(shù)確定） ）。

后一個(gè)因素經(jīng)常被忽略，至少一開(kāi)始是這樣，因?yàn)楹苋菀准僭O(shè)固定值電阻就是這樣。數(shù)字顯示了由電阻器的電阻溫度系數(shù) (tempco) 定義的影響。即使是具有適度電流的小值電阻器的耗散也會(huì)導(dǎo)致標(biāo)稱值的顯著漂移。

這是設(shè)計(jì)人員嘗試使用盡可能小的電阻值的另一個(gè)原因，與為可行的讀數(shù)提供足夠的壓降相稱。請(qǐng)注意，由于耗散與電流的平方成正比，因此降低電流會(huì)更有效，但這是由系統(tǒng)負(fù)載設(shè)置的，無(wú)法更改。

考慮 1A 電流和 1Ω 電阻器，因此散熱量為 1 瓦。對(duì)于物理上很小的電阻器，這足以使溫度升高數(shù)十度，具體取決于電阻器的放置位置和方式、氣流和其他因素。這就是為什么電阻器的數(shù)據(jù)表包含電阻溫度系數(shù)規(guī)范的原因，通常表示為每攝氏度百萬(wàn)分之幾 (ppm/°C) 或百分比/每攝氏度 (%/°C) 的變化。1000 ppm/°C 的溫度系數(shù)等于 0.1%/°C。

通過(guò)數(shù)字，溫升會(huì)對(duì)電阻值產(chǎn)生重大影響，圖 2?？紤]用于非關(guān)鍵電路的標(biāo)準(zhǔn)電阻器，其溫度系數(shù)約為 1000 ppm/°C 或 0.1%/°C。升高 50°C 會(huì)導(dǎo)致電阻變化 5%，而可能升高 100°C 會(huì)導(dǎo)致變化 10%。這在許多應(yīng)用中可能過(guò)多。

由于許多設(shè)計(jì)中所需的電阻值非常小——通常遠(yuǎn)低于 1 歐姆——似乎快速、簡(jiǎn)單和“免費(fèi)”的檢測(cè)電阻解決方案是只使用較短的 PC 板銅跡線，計(jì)算其尺寸以提供精確的電阻值。但是，用于 PC 覆層的普通銅的典型溫度系數(shù)為 4000 ppm/°C 或 0.4%/°C，這意味著任何自熱（由環(huán)境板和產(chǎn)品熱量加?。┒紩?huì)導(dǎo)致較大的漂移和錯(cuò)誤。相比之下，PC 板走線寬度、長(zhǎng)度和銅厚度的正常公差會(huì)增加初始誤差。因此，僅在精度要求非常寬松的情況下才使用 PC 板走線技術(shù)。

感應(yīng)電阻滿足需求

在選擇在應(yīng)用中不會(huì)過(guò)度漂移的電阻器時(shí)，設(shè)計(jì)人員有多種選擇：

選擇瓦數(shù)較高的電阻器，它可以以較小的溫升耗散功率。

選擇專為此功能設(shè)計(jì)的電阻器，其固有溫度系數(shù)漂移要低得多。

正確的選擇取決于情況，許多設(shè)計(jì)師選擇了第二個(gè)選項(xiàng)。盡管低溫度系數(shù)電阻器成本高昂，但它們需要的電路板空間更小，并且可以更好地保證一致的結(jié)果。

供應(yīng)商提供具有一系列額定功率的低歐姆、低溫度系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)電阻器系列。典型的“低溫度系數(shù)”電阻器的溫度系數(shù)值大約為 100 ppm/°C，并且有更昂貴的電阻器，溫度系數(shù)低至 10 至 20 ppm/°C，甚至在精密情況下為 1 ppm/°C（在當(dāng)然成本更高）。但在“庫(kù)侖計(jì)數(shù)”和電源管理至關(guān)重要的應(yīng)用中，成本可能非常值得。

其中一些電流檢測(cè)電阻適合僅用于直流和低頻應(yīng)用，而另一些則專門設(shè)計(jì)為具有低自感，因此可以在更高頻率下使用。電流檢測(cè)電阻器，尤其是在高額定功率時(shí)，通?？雌饋?lái)不像標(biāo)準(zhǔn)的“芯片”電阻器，而是看起來(lái)像普通的金屬條或功率器件（圖 3、4和5）。它們采用高度專業(yè)化的材料和專有的制造技術(shù)制成。它們的溫度系數(shù)經(jīng)過(guò)仔細(xì)控制和測(cè)量，并且增加了設(shè)計(jì)分析挑戰(zhàn)，這些溫度系數(shù)在整個(gè)工作范圍內(nèi)并不是恒定的。

結(jié)論

如何使用電阻器檢測(cè)電流這個(gè)看似簡(jiǎn)單的問(wèn)題是在易于解釋的情況下在工程權(quán)衡之間找到*佳平衡點(diǎn)的一個(gè)很好的例子。在確定電阻歐姆值、溫度系數(shù)和額定功率時(shí)，有許多可用選項(xiàng)。即便如此，做出這些尺寸決定只是完整解決方案的一部分，因?yàn)檫€存在與電子設(shè)備相關(guān)的問(wèn)題，即感應(yīng)電壓、開(kāi)爾文連接、高共模電壓、接地回路、隔離，甚至安全考慮。