在過(guò)去的幾年間,由于小體積的高精度低阻值電阻器的實(shí)用化,以及數(shù)據(jù)采集和處理器性能的大幅度提升,已經(jīng)導(dǎo)致傳統(tǒng)的基于分流器的電流檢測(cè)方法的技術(shù)革新,并使新的應(yīng)用成為可能,這在十年前,是無(wú)法想象的.
車(chē)身電子控制系統(tǒng)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(huì)有短時(shí)間200-300A的電流,車(chē)輛的啟動(dòng)電流甚至高達(dá)1500A.在電池和電源管理系統(tǒng)中,還有更極端的情況,車(chē)輛運(yùn)行時(shí)持續(xù)電流為100-300A,而在靜止?fàn)顟B(tài),電流只有幾毫安,這也需要被精確檢測(cè)出來(lái).
電流檢測(cè)電阻的基本原理:
根據(jù)歐姆定律,當(dāng)被測(cè)電流流過(guò)電阻時(shí),電阻兩端的電壓與電流成正比.當(dāng)1W的電阻通過(guò)的電流為幾百毫安時(shí),這種設(shè)計(jì)是沒(méi)有問(wèn)題的.然而如果電流達(dá)到10-20A,情況就完全不同,因?yàn)樵陔娮枭蠐p耗的功率(P=I2xR)就不容忽視了.我們可以通過(guò)降低電阻阻值來(lái)降低功率損耗,但電阻兩端的電壓也會(huì)相應(yīng)降低,所以基于取樣分辨率的考慮,電阻的阻值也不允許太低.
通常,下面的公式適用于計(jì)算電阻兩端的電壓:
U=RxI+Uth+Uind +Uiext+......
其中Uth是熱電動(dòng)勢(shì),Uind 是感應(yīng)電壓,Uiext是PCB引線上微小電流引起的壓降.
其中與電流無(wú)關(guān)的因素而導(dǎo)致的誤差電壓能夠直接影響到測(cè)量的精度,因此設(shè)計(jì)者應(yīng)該了解這些因素并通過(guò)精心的電路板布局,尤其是選擇合適的元件來(lái)降低相關(guān)的影響.
很多種導(dǎo)電材料可以用來(lái)制造電阻,但是這樣的元件并不太適合做電流取樣.因?yàn)殡娮枳柚蹬c溫度,時(shí)間,電壓和頻率等參數(shù)有關(guān),R=R (T,t,P,Hz,U,A,m,p,...).
實(shí)際的電阻性能或多或少都和它的基礎(chǔ)材料以及生產(chǎn)制程有關(guān)
理想的電流檢測(cè)電阻應(yīng)該完全與這些參數(shù)無(wú)關(guān),當(dāng)然這樣的電阻是不存在的.實(shí)際的電阻特性見(jiàn)表1,包括溫度系數(shù)TCR,長(zhǎng)期穩(wěn)定性,熱電動(dòng)勢(shì),負(fù)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(shè)計(jì)決定,還有一些參數(shù)決定于生產(chǎn)制程.
早在1889年,德國(guó)Isabellenhuette公司發(fā)明了精密電阻合金錳鎳銅(Manganin),其優(yōu)良的特性奠定了精密測(cè)量技術(shù)的基礎(chǔ),后來(lái)該公司又發(fā)明了Isaohm 和 Zeranin,它們的電阻系數(shù)分別達(dá)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?qū)﹄娮璨牧系男枨蟛⑶议L(zhǎng)期被精密電阻廠商成功應(yīng)用.
過(guò)去25年,為了應(yīng)對(duì)基于磁場(chǎng)的電流檢測(cè)方法的發(fā)展,Isabellenhuette公司致力于通過(guò)對(duì)分流器電阻進(jìn)行物理優(yōu)化進(jìn)而擴(kuò)展分流器的電流檢測(cè)的量程.與此同時(shí),半導(dǎo)體公司已經(jīng)改進(jìn)了運(yùn)算放大器的諸多特性比如漂移,溫度系數(shù)和噪聲,這促使電子工程師可以在設(shè)計(jì)中選用毫歐級(jí)阻值的分流電阻,解決了大電流條件下的高功率損耗問(wèn)題.但隨之而來(lái)的代價(jià)是因?yàn)楦蓴_和熱電效應(yīng)等因素而引起的相關(guān)誤差也大大增加,因此降低寄生電感和抑制熱電動(dòng)勢(shì)就顯得特別重要.
一,溫度系數(shù)
是錳鎳銅合金電阻的典型溫度特性曲線,溫度系數(shù)TCR單位為ppm/K,在20或25℃ 時(shí),TCR=[R(T)-R(T0)]/R(T0) ×(T-T0),對(duì)于溫度系數(shù)的定義,制造商標(biāo)明溫度的上限是必要的,舉例說(shuō)明在+20 -+60℃的溫度范圍內(nèi),測(cè)量系統(tǒng)經(jīng)常選用TCR為幾百個(gè)ppm/K 的低阻值的厚膜電阻器,比如TCR 為200 ppm/K的電阻器的溫度特性,即使在如此小的范圍內(nèi),+50℃的溫度變化就足以導(dǎo)致阻值變化超過(guò)1%,這樣的電阻是不能用于精確電流測(cè)量的,有些測(cè)量設(shè)備制造商甚至使用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.
二,熱電動(dòng)勢(shì)
當(dāng)溫度輕微升高或者降低時(shí),在不同材料的接觸面上會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì),這種效應(yīng)對(duì)低阻值電阻的影響非常重要,盡管通常情況下熱電勢(shì)數(shù)值非常小,但微伏級(jí)的熱電勢(shì)能夠嚴(yán)重地影響測(cè)量結(jié)果.
直到今天,電阻合金康銅依舊是繞線和沖壓分流器(在片狀材料上進(jìn)行模壓)的主要材料,盡管它有良好的TCR,但其對(duì)銅的熱電勢(shì)高達(dá)40mV/K.例如,使用1毫歐的分流電阻檢測(cè)4A電流,10℃的溫差就能產(chǎn)生400mV的電壓差,相當(dāng)于測(cè)量結(jié)果誤差增大了10%.更嚴(yán)重的情況是,假如考慮到電阻尺寸,經(jīng)常被忽略的珀?duì)柼?yīng)(Peltier effect)可以通過(guò)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(cè)電路工作在恒定電流狀態(tài)下,由于珀?duì)柼?yīng)(Peltier effect)而產(chǎn)生的溫差也會(huì)導(dǎo)致有電壓存在,顯示電流是不恒定的.關(guān)斷電流之后,在溫差消失之前,測(cè)量結(jié)果會(huì)顯示有明顯的電流存在,根據(jù)設(shè)計(jì)和阻值的不同,電流誤差能有幾個(gè)百分點(diǎn)或達(dá)到幾個(gè)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(huì)產(chǎn)生熱電壓,設(shè)計(jì)者甚至可以忽略珀?duì)柼?yīng)(Peltier effect).比如使用一只0.3mW的電阻,產(chǎn)生的熱電壓小于1mV,在關(guān)掉100A電流的時(shí)侯,熱電勢(shì)產(chǎn)生的電流小于3mA.
三,長(zhǎng)期穩(wěn)定性
對(duì)于任何傳感器來(lái)說(shuō),長(zhǎng)期穩(wěn)定性都非常重要.甚至在使用了一些年后,人們都希望還能維持早期的精度.這就意味著電阻材料在壽命周期內(nèi)一定要抗腐蝕,并且合金成分不能改變.要使測(cè)量元件滿足這些要求,可以使用同質(zhì)復(fù)合晶體組成的合金,通過(guò)退火和穩(wěn)定處理的生產(chǎn)制程,以達(dá)到基本熱力學(xué)狀態(tài).這樣的合金的穩(wěn)定性可以達(dá)到ppm/年的數(shù)量級(jí),使其能用于標(biāo)準(zhǔn)電阻.
表面貼裝電阻 在140℃下老化1000小時(shí)后阻值只有大約-0.2%的輕微漂移,這是由于生產(chǎn)過(guò)程中輕微變形而導(dǎo)致的晶格缺損造成的.阻值漂移很大程度上由高溫決定,因此在較低的溫度下比如+100℃,這種漂移實(shí)際是檢測(cè)不出來(lái)的.
四,端子連接
在低阻值電阻中,端子的阻值和溫度系數(shù)的影響往往是不能忽略的,實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮這些因素,可以使用附加的取樣端子直接測(cè)量金屬材料兩端的電壓.如圖3所示,一個(gè)四端子的連接將允許測(cè)量系統(tǒng)實(shí)際用到的阻值為R0,而普通的連接的阻值為R0+2xRCu .例如,10 mm長(zhǎng)0.3 mm線徑的銅線會(huì)增加2.4 mW的RCu阻值,4mm長(zhǎng)0.2mm寬 35mm厚度的PCB引線的RCu阻值是10mW.
一個(gè)四端子的連接將允許測(cè)量系統(tǒng)實(shí)際用到的阻值為R0,而普通的連接的阻值為R0+2xRCu
這些例子都表明有缺陷的電阻結(jié)構(gòu)或者布線不合理都會(huì)導(dǎo)致非常大的誤差,對(duì)于10毫歐兩端子電阻器,銅連接線占了總阻值的24%,甚至很短的4mm的PCB布線已經(jīng)使阻值翻倍.電阻材料和銅端子焊接前的結(jié)合面清理工藝可以減少端子的附加阻值,但是TCR的影響依然存在.
描述的實(shí)例中,銅的比例小到只有2%(相比前面24%的例子),然而TCR卻從接近0升高到80ppm/K.對(duì)于這樣結(jié)構(gòu)的低阻值電阻器,如果在在技術(shù)文檔中只列出合金材料本身的TCR絕對(duì)是不可以被接受也是沒(méi)有價(jià)值的.
四端子連接使得測(cè)量系統(tǒng)可以從高可靠性的感測(cè)元件直接獲取信號(hào)
由電子束焊接的銅-錳鎳銅電阻實(shí)際上具有這樣低的端子阻值,通過(guò)合理的布線可以作為兩端子電阻使用而接近四端子連接的性能.但是在設(shè)計(jì)時(shí)一定要注意取樣電壓的信號(hào)連線不能直接連接取樣電阻的電流通道上,如果可能的話,最好能夠從取樣電阻下面連接到電流端子并設(shè)計(jì)成微帶線.
五, 高負(fù)載功率
因?yàn)殡娮璨牧系膶?dǎo)熱性比銅要差,并且大多數(shù)電阻使用厚度在20-150mm之間的蝕刻結(jié)構(gòu)的合金箔,因此無(wú)法通過(guò)電阻材料到端子散熱.解決方案之一就是用一層薄的導(dǎo)熱良好的粘合劑把電阻合金箔粘合到同樣有良好導(dǎo)熱性的底板材料上(銅或鋁).這種結(jié)構(gòu)可以有效地將熱量傳導(dǎo)給周?chē)h(huán)境,保證了電阻器具有非常低的熱內(nèi)阻(典型值為10-30K/W).
這種結(jié)構(gòu)的電阻可以在非常高的溫度下滿負(fù)荷工作,如圖5所示在很高的溫度下才出現(xiàn)功率折減;同時(shí),電阻材料的溫度可以維持在較低水平,這就可以有效改善電阻的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和因溫度而引起的阻值變化.
由于自身的低熱內(nèi)阻,只有在高溫下才出現(xiàn)功率折減.
對(duì)于使用復(fù)合結(jié)構(gòu)的極低阻值的電阻器,電阻合金的橫截面積和機(jī)械強(qiáng)度很大,所以沒(méi)必要使用底板,這也就意味著電阻材料具有足夠低的熱內(nèi)阻,例如對(duì)于1毫歐的電阻,熱內(nèi)阻大約10K/W,但是100微歐的電阻,熱內(nèi)阻只有1K/W了
六,低電感
在當(dāng)今的很多應(yīng)用中需要測(cè)量和控制高頻電流,分流器的寄生電感參數(shù)也得到了大幅改善.表面貼裝電阻器的特殊的低電感平面設(shè)計(jì)和合金材料的抗磁特性,金屬底板,以及四引線連接都有效降低了電阻器的寄生電感.
然而,電路板上的取樣端子和電阻組成了一個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu),為了避免其間因電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)和外圍磁場(chǎng)而形成的感應(yīng)電壓,需要特別強(qiáng)調(diào)要使取樣的信號(hào)線形成的區(qū)域越小越好,最理想的是微帶線設(shè)計(jì),例如,與放大器連接的兩條取樣信號(hào)線要設(shè)計(jì)得盡量靠近或者最好在PCB的不同層面之間平行布線,最差的設(shè)計(jì)是天線效應(yīng)會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出電阻本身實(shí)際電感的影響.
四端子連接的電路構(gòu)成一個(gè)天線回路,對(duì)EMI形成的感應(yīng)電壓很敏感.
七,低阻值
四引線設(shè)計(jì)推薦用于大電流和低阻值應(yīng)用.通常的做法使用錳鎳銅合金帶直接沖壓成電阻器,但這不是最好的辦法.盡管四引線電阻有利于改進(jìn)溫度特性和熱電壓,但總阻值有時(shí)高出實(shí)際阻值2到3倍,這會(huì)導(dǎo)致難以接受的功率損耗和溫升.此外,電阻材料很難通過(guò)螺絲或焊接與銅連接,也會(huì)增加接觸電阻以及造成更大的損耗.
八,用錳鎳銅合金帶直接沖壓成電阻器
使用復(fù)合材料沖壓電阻會(huì)大大地減少誤差,總阻值的增加會(huì)減少到不足10%,設(shè)計(jì)者也可以使用被認(rèn)可的銅-銅連接技術(shù)進(jìn)行焊接.
用復(fù)合材料沖壓電阻會(huì)大大地減少誤差
ISA-PLAN 電流檢測(cè)電阻
另外,電流檢測(cè)電阻在汽車(chē)電子的運(yùn)用.
出于成本和小型化的原因,汽車(chē)電子中檢測(cè)100A以下的電流越來(lái)越多地使用SMD封裝的精密取樣電阻,阻值要求低至300微歐,在汽車(chē)電子應(yīng)用中,Isabellenhuette公司可以提供SMx,LMx,VMx和BVx系列的產(chǎn)品,所有這些產(chǎn)品都是使用兩端子設(shè)計(jì)和優(yōu)化的物理結(jié)構(gòu),選擇合理的PCB布線方式,兩引線設(shè)計(jì)完全可以消除端子和焊點(diǎn)接觸電阻的影響并達(dá)到四引線的檢測(cè)精度.
對(duì)于電流檢測(cè)在燃油直噴系統(tǒng),變速箱控制,前燈控制,車(chē)窗控制和引擎管理模塊中的應(yīng)用,一個(gè)使用銅基板來(lái)實(shí)現(xiàn)散熱和電氣連接的合理架構(gòu),能夠完美地秉承錳鎳銅合金的優(yōu)良特性,非常高的持續(xù)和脈沖功率,低于0.1nH的電感值,5 mW~5W的阻值范圍,從1206,2010,2512到2817的標(biāo)準(zhǔn)外形尺寸,0.5~3W的負(fù)載能力,高達(dá)0.5%的精度,以及低至13 K/W的熱內(nèi)阻.
兩引線設(shè)計(jì)的倒裝系列提供了低至1mW的阻值,當(dāng)阻值低于3mW時(shí),這種設(shè)計(jì)不使用基板,對(duì)于更高的阻值,絕緣的鋁質(zhì)基板覆蓋在上面做為載體和熱傳導(dǎo)介質(zhì).這個(gè)系列的阻值是從1 mW到 0.5W,封裝尺寸是2512, 2010,1206和 0805,精度1.0%時(shí),負(fù)載從2W到0.25W,熱內(nèi)阻可以低到15K/W.被廣泛用于點(diǎn)火控制模塊,變速箱控制,發(fā)動(dòng)機(jī)管理模塊,車(chē)窗升降器等.
典型應(yīng)用也包括開(kāi)關(guān)電流調(diào)節(jié)器和有特殊要求的PWM功率控制器,例如,最大工作電流100A的散熱器風(fēng)扇;工作在+140℃的環(huán)境溫度的風(fēng)扇;要求工作在EMV Level 5的電子油泵或者工作效率高達(dá)94~98%的電子水泵等應(yīng)用都要求對(duì)馬達(dá)進(jìn)行保護(hù),也適合使用表面貼裝電阻.用ISA-WELD技術(shù)制成的合金電阻,適用于PCB、DCB、MIS基板或者含引腳支架鍵合的應(yīng)用,阻值范圍從100mW到4 mW,1%精度下額定功率到5W,熱內(nèi)阻低至2K/W.
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
子中有一種應(yīng)用的需求在不斷增加,它需要對(duì)數(shù)百安甚至上千安培的電流進(jìn)行大動(dòng)態(tài),高精度和高分辨率的測(cè)量,同時(shí)對(duì)于毫安級(jí)的電流也要求有極高的測(cè)量精度和分辨率,比如乘用車(chē),卡車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)的電池和電源管理系統(tǒng).
ISA-ASIC就是針對(duì)這種應(yīng)用而推出的解決方案,包括一個(gè)完整的4通道的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),它具有16比特分辨率和許多特殊的功能,這種完全不需要補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器,與復(fù)合材料制成的低阻值分流器電阻構(gòu)成了接近理想的電流傳感器.一方面,它可以實(shí)時(shí),線性,大動(dòng)態(tài),高精度地測(cè)量高達(dá)1500安的電流,另一方面,在低采樣速率情況下,還能達(dá)到幾毫安的分辨率. ISA-ASIC只需要±5V/3mA的單電源即可工作,被測(cè)信號(hào)可以是雙極信號(hào)甚至可以低于電源電壓,除了可以測(cè)量電流外,還能同時(shí)測(cè)量溫度和電壓.ISA-ASIC是目前汽車(chē)電池和電源管理系統(tǒng)的最佳選擇.
用一只特殊的2mW電阻,ASIC系統(tǒng)能夠測(cè)量高達(dá)10,000A的持續(xù)電流,分辨率小于1A,ISA-ASIC的卓越性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越工程師的期望.
ISA-PLAN 特殊的電流檢測(cè)電阻
ISA 電流檢測(cè)電阻技術(shù)或者價(jià)格咨詢(xún):QQ,271186547
