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低于1mΩ电阻兼具电流检测优势与挑战

2023-01-05 13:31:09 Bill Schweber 阅读:
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做更多的功课来预估并更有效评估的?还是故意或只是由于情况复杂而被埋得很深的?

用于测量负载电流的标准方法之一是在负载线中插入一个低阻值的电阻,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。Ljyednc

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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(高侧),或(b)放在负载和地之间(低侧)。高侧检测更难实现,但其在许多情况下具有显著的系统优势。(图片来源:ADI)Ljyednc

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,而且这种耗散也可能导致电阻自热,从而带来漂移和可靠性问题。Ljyednc

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SNR问题。较低的压降也会受到检测放大器电路(这类应用几乎总是采用运算放大器设计)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——它们全都可能破坏检测值而使其超出允许范围。Ljyednc

一般来说,最好使用低阻值的电阻,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。其基础指导原则是以最大电流下产生100mV压降来确定电阻的大小。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,也可能超出可接受范围。Ljyednc

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,使得低于1mΩ的电流检测电阻应用成为可能。诸如TI INA185和ADI AD8417等运算放大器,都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。Ljyednc

然而,几乎每次有了新的进展也会带来一连串新的考虑和顾虑。我曾经读过TT Electronics的业务开发工程师Stephen Oxley写的一篇应用笔记,文中讨论到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)。Ljyednc

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图2:来自TT Electronics LRMAP3920系列贴片电阻的尺寸约为5×10mm,可提供0.2-3mΩ的电阻值。(图片来源:TT Electronics)Ljyednc

在这篇名为“克服使用sub-mΩ SMD的挑战”(Overcome the Challenges of Using Sub-Milliohm SMD)文章中,他解释了使用这些电阻不同于甚至是mΩ级电阻的许多方式,以及不恰当地使用将如何导致其精度、一致性甚至可信度受到影响等等。Ljyednc

该应用笔记提供了在使用sub-mΩ检测电阻时需要注意的三个方面:Ljyednc

  • 如何以及为何要将这些sub-mΩ芯片视为一种单独的元器件类别,而不仅仅是低阻值版的mΩ版本。
  • 在元器件选择和PCB 布局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,还有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如何影响性能等问题;预估和适应由不同金属结点的热电效应所产生的电压差;整个检测元器件的电流通路和电压检测回路;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:当检测电阻本身为sub-mΩ时,电阻到电路的通路和接触电阻将成为问题的重要组成部分。Ljyednc

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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布局考虑。(图片来源:TT Electronics)Ljyednc

我并不会对这篇文章进行详细总结,对你来说自己读过才更有意义。请注意,这篇文章几乎完全是关于电阻、材料、端接和电流通路的,几乎没有提到任何相关的电子电路——这是另一个你必须计算误差预算的地方。Ljyednc

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器件的方法,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?Ljyednc

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,通常是个资深的经验丰富的工程师,要不就是他在专业技能上的反面。Ljyednc

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做更多的功课来预估并更有效评估的?还是故意或只是由于情况复杂而被埋得很深的?Ljyednc

(原文刊登于EDN美国版,参考链接:Sub-milliohm resistors bring current-sense benefits but also challenges,由Susan Hong编译 )Ljyednc

责编:Ricardo
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