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亚毫欧电阻在带来电流检测优势的同时也带来挑战

2022-12-02 15:29:27 Bill Schweber 阅读:
近年来,用于读取检测电阻两端电压的精密低压运放的出现,使得亚毫欧电流检测电阻的使用成为可能。诸如TI INA185和ADI AD8417的这些运放,具有超低电压偏移和偏置电流以及低温度系数,因此使用这种低欧姆电阻就很实用。然而,与几乎每次进步一样,都有一系列新的考虑和担忧。

用于测量负载电流的标准方法之一是在负载线上插入一个低阻值电阻器,然后检测其两端电压,如图1所示,接下来就是欧姆定律的模拟或数字实现。tqqednc

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图1:(a)可以将电流检测电阻放置在电源轨和负载之间(高边),或(b)放在负载和地之间(低边)。高边检测更难实现,但其在许多情况下具有显著系统优势。(图片来源:ADI)tqqednc

与许多工程决策一样,选择使用什么电阻值是一种权衡。高阻值电阻会在其两端产生较高的IR压降和电压,从而能简化电压检测并提高信噪比(SNR)。然而,这却会减少可能流向负载的功率,并且这种耗散也可能会导致电阻自热,从而带来漂移和可靠性问题。tqqednc

相比之下,低阻值电阻可以最大限度地降低这种压降,但却会带来精度和信噪比问题。较低的电压降也会受到检测放大器电路(这类应用几乎总是采用运放设计)中缺陷的影响,因为其中存在着输入电压偏移和偏置电流及其随后与温度相关的漂移——它们全都可能破坏感测值而使其超出容许范围。tqqednc

如何为电动汽车动力电池系统设计电流检测系统?2022年12月28日,由AspenCore集团和上海市交通电子行业协会合办的“中国国际汽车电子高峰论坛”,将在上海浦东喜来登由由大酒店隆重举行。在该论坛的“动力电池与智能充电技术”分论坛上,顺络汽车将带来“高可靠性变压器助力BMS和智能充电技术发展”主题演讲。同时,茂睿芯、ADI和东软睿驰也将分别带来“车规级芯片”、“新能源与智能汽车芯片”和“域控下的基础软件部署”等主题演讲。欢迎前来学习交流。点击这里报名参加。tqqednc

一般来说,最好使用低阻值的电阻器,这样其相关的压降和功耗就较低,总体上就更好,但这只能达到一定程度。一个基础指导原则是以最大电流下产生100mV压降来确定电阻器的大小。对于许多应用,采用快速V=IR计算,就可将电流检测电阻的值设置在1到10mΩ之间。然而,在低压应用中,即使是适度的100mV压降以及相关耗散,也可能超出可接受的范围。tqqednc

近年来,用于读取检测电阻两端电压的精密低压运放的出现,使得亚毫欧电流检测电阻的使用成为可能。诸如TI INA185和ADI AD8417的这些运放,具有超低电压偏移和偏置电流以及低温度系数,因此使用这种低欧姆电阻就很实用。tqqednc

然而,与几乎每次进步一样,都有一系列新的考虑和担忧。我看到了TT Electronics的业务开发工程师Stephen Oxley写的一篇出色的应用笔记。他讨论了使用这些低欧姆值电流检测电阻时,如何克服其固有的挑战(图2)。tqqednc

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图2来自TT Electronics的LRMAP3920系列表贴电阻的尺寸约为5×10mm,可提供0.2mΩ至3mΩ的阻值。(图片来源:TT Electronics)tqqednc

在他篇幅相对适中且可读性很强的文章“Overcome the Challenges of Using Sub-Milliohm SMD”(克服使用亚毫欧SMD的挑战)中,他解释了使用这些电阻器不同于甚至是毫欧级电阻器的许多方式,以及如何不恰当地使用它们,会使其精度、一致性甚至可信度受到影响。tqqednc

该应用笔记提供了在使用亚毫欧检测电阻时需要注意的三个方面:tqqednc

  • 如何以及为何要将这些亚毫欧芯片视为一种单独的元件类别,而不仅仅是低阻值版的毫欧版本。
  • 在元件选择和PCB layout设计时如何避免陷阱。
  • 在每个阶段量化和最小化误差和变化的方法。

在众多细节中,有与几乎要强制使用四线开尔文连接相关的问题,以及其连接位置和方式的细微差别会如何影响性能;预估和适应由不同金属结点的热电效应所产生的电压差;整个传感组件的电流通路和电压传感回路;使用多个并联电阻来降低净电阻或增加额定处理功率的不同方法(图3);当然,还有不可避免的散热考虑。简而言之:当检测电阻器本身为亚毫欧时,电阻器到电路的通路和接触电阻将成为情况的重要组成部分。tqqednc

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图3:在使用超低阻值的电阻时,即使是使用两个并联电阻的简单原理,也会在电流通路方面带来微妙的layout考虑。(图片来源:TT Electronics)tqqednc

我不会对这篇文章进行详细总结,对你来说读它才更有意义。请注意,这篇文章几乎完全是关于电阻器、材料、终端和电流通路的,几乎没有提到相关的电子电路——这是另一个你必须计算误差预算的地方。tqqednc

再一次,最初看起来是个简单而有益的方案,实际上却充满了许多微妙之处以及错误运用新元件的方法,从而否定了它可能提供的任何好处。毕竟,还有什么比检测电阻和欧姆定律更基础的呢?tqqednc

更糟糕的是,我们实际上可能得到了较差的结果而却浑然不知,还以为自己的读数是准确而又一致的,结果却发现信号和数据具有误导性。这再一次证明了,说“这只是个简单的改变”或“一切都很好”的任何人,要么是个资深的经验丰富的工程师,要么是他在专业技能上的反面。tqqednc

你是否曾经将新的设计或元器件方案视为一种改进的有益的替代方案,但后来却发现它也有出乎意料的缺点?这些负面因素是你可以通过做更多的功课来预测和更好地评估的,还是故意或只是由于情况复杂而被埋得很深的?tqqednc

参考文献

(原文刊登于EDN美国版,参考链接:Sub-milliohm resistors bring current-sense benefits but also challenges,由Franklin Zhao编译。)tqqednc

本文为《电子技术设计》2022年12月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里tqqednc

责编:Franklin
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Bill Schweber
EE Times/EDN/Planet Analog资深技术编辑。Bill Schweber是一名电子工程师,他撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中,他曾担任多个EE Times子网站的网站管理者以及EDN执行编辑和模拟技术编辑。他在ADI公司负责营销传播工作,因此他在技术公关职能的两个方面都很有经验,既能向媒体展示公司产品、故事和信息,也能作为这些信息的接收者。在担任ADI的marcom职位之前,Bill曾是一名备受尊敬的技术期刊副主编,并曾在其产品营销和应用工程团队工作。在担任这些职务之前,他曾在英斯特朗公司(Instron Corp., )实操模拟和电源电路设计以及用于材料测试机器控制的系统集成。他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位,是注册专业工程师,并持有高级业余无线电执照。他还在计划编写和介绍了各种工程主题的在线课程,包括MOSFET基础知识,ADC选择和驱动LED。
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