你應該知道的電流檢測電阻選擇權衡

 測量已知電阻器上的電壓似乎是一項簡單的任務。然而,為了正確可靠地設計電流檢測分流電阻器,即我們說的合金電阻,必須牢記一些考慮和權衡因素。

電流檢測電阻的大小

它以 V = IR 開始

在許多設計中,必須測量流向負載或進出電池的電流。有幾種方法可以做到這一點,其中廣泛使用的是通過檢測電阻器。這個想法很簡單:在載流引線上串聯一個已知值的電阻器,測量它兩端的電壓降,做簡單的 I = V/R 數學運算(可以用數字方式完成,但通常用模擬電路來完成) ),您就完成了(圖 1)。(注意:這種串聯電阻通常被稱為“分流”電阻,這是用詞不當,因為真正的分流器與負載并聯。)

這種傳感解決方案看起來相當簡單,而且理論上確實如此。但工程設計是原則與現實相結合的地方,也是做出平衡決定的地方。這里顯而易見的問題是該貼片電阻器使用的電阻值是多少,這就是權衡開始的地方:

一方面,更大的電阻器使電壓讀數更容易并提供更高的分辨率,因為它增加了動態范圍并提高了電壓讀數的信噪比 (SNR)。

然而,該較大值的電阻器也會“搶奪”負載的可用軌電壓,因為壓降從到負載的電源軌電壓中減去。因此,就*小化負載的可用電壓損失而言,較小的電阻器更好。

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

你應該知道的電流檢測電阻選擇權衡

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

因此,感應電阻器的困境很明顯:較高的電阻值會導致較大的電壓降(有利于測量),但也會“竊取”更多可提供給負載的軌*大電壓,對輸出環路動態和降低效率(全壞)。

什么是可接受的電壓降和相應電阻值的“經驗法則”起點?事實證明,在從低電壓/低電流設計到更高設計的各種情況下,100 mV 壓降似乎是一個很好的起點。鑒于此電壓降和*大電流,計算正確的電阻值很簡單。

電流檢測通常使用哪些電阻值?對于習慣于選擇 1、10 甚至 100 千歐電阻的設計人員來說,這可能是一個驚喜。算一下,您會發現電阻通常低于 1 歐姆,并且通常遠低于該值,達到個位數毫歐甚至更低。這些“奇怪的”值被廣泛使用,以至于它們是多個供應商提供的許多配置和額定值的標準組件。

這個故事不僅僅是選擇一個低值的電阻器(超低阻值貼片電阻

),因為對讀取分辨率、SNR 和浪費的干線電壓的影響只是問題的一個方面。另一個考慮因素也很重要,但更難評估:

自熱效應

由于溫度系數和由此產生的漂移,檢測電阻值會發生自熱。與電阻器 I 2 R 自熱功耗相關的熱影響非常顯著,并且會影響讀數的完整性以及電阻器的選擇。

這種不可避免的自熱有幾個負面后果:

它代表熱量,它會增加系統的熱負荷,因此必須加以管理和消除。

它代表電力浪費和效率降低,從而縮短了電池供電產品的運行時間。

也許不太明顯但特別重要的是,熱量會導致電流感應電阻器的溫度升高,這會改變電阻器的值,??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確定) )。

后一個因素經常被忽略,至少一開始是這樣,因為很容易假設固定值電阻就是這樣。數字顯示了由電阻器的電阻溫度系數 (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導致標稱值的顯著漂移。

這是設計人員嘗試使用盡可能小的電阻值的另一個原因,與為可行的讀數提供足夠的壓降相稱。請注意,由于耗散與電流的平方成正比,因此降低電流會更有效,但這是由系統負載設置的,無法更改。

考慮 1A 電流和 1Ω 電阻器,因此散熱量為 1 瓦。對于物理上很小的電阻器,這足以使溫度升高數十度,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據表包含電阻溫度系數規范的原因,通常表示為每攝氏度百萬分之幾 (ppm/°C) 或百分比/每攝氏度 (%/°C) 的變化。1000 ppm/°C 的溫度系數等于 0.1%/°C。

通過數字,溫升會對電阻值產生重大影響,圖 2??紤]用于非關鍵電路的標準電阻器,其溫度系數約為 1000 ppm/°C 或 0.1%/°C。升高 50°C 會導致電阻變化 5%,而可能升高 100°C 會導致變化 10%。這在許多應用中可能過多。

由于許多設計中所需的電阻值非常小——通常遠低于 1 歐姆——似乎快速、簡單和“免費”的檢測電阻解決方案是只使用較短的 PC 板銅跡線,計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為 4000 ppm/°C 或 0.4%/°C,這意味著任何自熱(由環境板和產品熱量加?。┒紩е螺^大的漂移和錯誤。相比之下,PC 板走線寬度、長度和銅厚度的正常公差會增加初始誤差。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。

感應電阻滿足需求

在選擇在應用中不會過度漂移的電阻器時,設計人員有多種選擇:

選擇瓦數較高的電阻器,它可以以較小的溫升耗散功率。

選擇專為此功能設計的電阻器,其固有溫度系數漂移要低得多。

正確的選擇取決于情況,許多設計師選擇了第二個選項。盡管低溫度系數電阻器成本高昂,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果。

供應商提供具有一系列額定功率的低歐姆、低溫度系數標準電阻器系列。典型的“低溫度系數”電阻器的溫度系數值大約為 100 ppm/°C,并且有更昂貴的電阻器,溫度系數低至 10 至 20 ppm/°C,甚至在精密情況下為 1 ppm/°C(在當然成本更高)。但在“庫侖計數”和電源管理至關重要的應用中,成本可能非常值得。

其中一些電流檢測電阻適合僅用于直流和低頻應用,而另一些則專門設計為具有低自感,因此可以在更高頻率下使用。電流檢測電阻器,尤其是在高額定功率時,通??雌饋聿幌駱藴实?ldquo;芯片”電阻器,而是看起來像普通的金屬條或功率器件(圖 3、4和5)。它們采用高度專業化的材料和專有的制造技術制成。它們的溫度系數經過仔細控制和測量,并且增加了設計分析挑戰,這些溫度系數在整個工作范圍內并不是恒定的。

結論

如何使用電阻器檢測電流這個看似簡單的問題是在易于解釋的情況下在工程權衡之間找到*佳平衡點的一個很好的例子。在確定電阻歐姆值、溫度系數和額定功率時,有許多可用選項。即便如此,做出這些尺寸決定只是完整解決方案的一部分,因為還存在與電子設備相關的問題,即感應電壓、開爾文連接、高共模電壓、接地回路、隔離,甚至安全考慮。

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