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选择电流检测电阻没有那么简单,这两方面的权衡要谨慎

2024-02-26 16:27:15 BILL SCHWEBER 阅读:
电阻值越低越好。在实践中,许多设计人员会将电阻器的最大压降设定为最高电流时的100mV,以此作为折衷点。但无论选择什么值和相关的压降,该电阻器的“最佳”值始终会受到争论和非议···

选择一个电流检测电阻器很容易?通过简单测量已知电阻两端的电压,然后应用欧姆定律和I=V/R(图1)来确定电流,人们对这种基本功能寄予厚望。还有什么比这更简单的吗?qNZednc

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图1 使用电阻器R和相关压降V(B-C处)来测量电流I(从A到D)的原理很简单,但也存在着一些必须承认的微妙之处。当电流在100毫欧范围及以下时,通常使用四线高阻抗开尔文检测。qNZednc

资料来源:Vishay Intertechnology via Eastern States ComponentsqNZednc

但事实上这一点也不简单。首先是确定电阻值的问题。一方面,较大的值会增加其两端的压降,使读数幅度更大,进而提高信噪比和分辨率精度。但是,使用较大的电阻值会浪费电能,并可能会影响回路稳定性,因为它会在电源和负载之间增加更多的“空闲”电阻,并导致电阻器自发热增加。qNZednc

因此,电阻值越低越好。在实践中,许多设计人员会将电阻器的最大压降设定为最高电流时的100mV,以此作为折衷点。但无论选择什么值和相关的压降,该电阻器的“最佳”值始终会受到争论和非议,同时也要取决于电流检测的优先事项。qNZednc

IR压降问题

显而易见的IR压降问题是两个密切相关的问题中的第一个,而第二个问题则是在做了第一个决定后不可避免的结果。无论选择的电阻值是多少,它都会产生电阻自发热,这是一个隐蔽的潜在问题,特别是当检测电阻器承载数安培及以上电流时。尽管标称值较低(通常仅为毫欧),但这是不可避免的:当有安培级的电流流动时,就会产生瓦特级的散热。qNZednc

其次,也是迫在眉睫的问题是,这种自发热会改变检测电阻器本身的标称值,从而破坏感知到的电流值的读数。qNZednc

那么该怎么办?除非电流在毫安或微安范围内,自发热很小,否则任何负责的设计人员都必须使用供应商提供的电阻温度系数(TCR)数据来分析电阻变化,如图2所示。请注意,此分析甚至可能是一个反复的过程,因为电阻变化可能会影响电流(取决于驱动电流进入负载的原因),这反过来可能会影响自发热,从而影响电阻。qNZednc

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图2 镍铬合金电阻率与绝对温度的函数关系显示了典型的TCR情况,但每种材料都有其独特的关系。qNZednc

资料来源:Topper Learning /Greycells 18 MediaqNZednc

TCR通常来说并不是一个可以忽略的小数字。它一般以每摄氏度百万分之一(ppm/°C)为单位;一个标准的1%电阻的TCR约为几千ppm/°C。总电阻变化是与电阻器元件中所用材料、额定功率和元件实际物理尺寸相关的函数。qNZednc

电流检测精度

总体电流检测精度误差的预算需要考虑三个因素:初始电阻容差、环境温度变化引起的TCR误差以及自发热引起的TCR误差。幸运的是,供应商会提供具有极低TCR的专用精密金属箔电阻器。qNZednc

它们通过在"秘方"中使用混合了铜、锰和其他元素的各种合金,以及管理并使用能最大限度降低TCR的生产技术来实现这一目标。例如,Bourns的CRL2010-FW-R015E为51mΩ、1%器件,TCR为±200ppm/°C(请参阅应用说明“Designer’s Guide to Chip Resistors, Chip Diodes and Power Chokes for Power Supplies and DC/SDC Converters”)。这是一种棘手的合金配方:例如,有些违反直觉的是,尽管标称TCR高达4000ppm/°C,但铜经常被添加到混合物中,因为它可以改善整体散热并减少自发热。qNZednc

为了在仪表应用中实现最终的精确测量,最低TCR的电阻器还附带有电阻随温度变化的完全特性曲线,该曲线呈抛物线形状,同时取决于合金组合。qNZednc

虽然基本的TCR相关计算看似简单,但任何高精度分析都必须考虑到TCR本身是非线性的(请参阅Vishay的技术说明“Non-Linearity of Resistance/Temperature Characteristic: Its Influence on Performance of Precision Resistors”)。高精度分析中还必须考虑电阻引线的TCR。qNZednc

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图3 三种不同金属箔电阻器(及其推出年份)的电阻-温度特性显示出了不同的TCR非线性。qNZednc

资料来源:Vishay IntertechnologyqNZednc

当然,某些应用并不需要非常高的精度,使用粗略的测量就可以了。对于这些情况,可以使用标准电阻器。但很多情况下确实会需要选择合理的一致性、精度和电阻自发热,而此时TCR很容易使推定的电流值误差过大。qNZednc

电流检测选择

设计人员必须决定是否使用成本较低的检测电阻,这就需要接受或处理由此产生的TCR漂移影响,或者使用成本更高、TCR极低的器件,选择瓦数更高、物理尺寸更大、TCR适中但耗散特性更好的电阻器,亦或是在电阻上添加一个微型散热器。当然无论选择哪种方法,毫无疑问都会在设计审查时被问到为什么不选择其他方法。qNZednc

尽管对于简单的V=IR关系来说,它“只是一个电阻器”,但其影响可能是巨大的。在带有大型电池组、光伏阵列或电机驱动器的电动汽车/混合动力汽车等系统中使用不准确的电流值,可能会导致无法解释的行为、不达标的性能和效率,甚至造成危险。。qNZednc

您是否遇到过由于电流检测电阻TCR、环境温度变化和电阻自发热而导致的意外问题?您在设计中是如何解决它的?您最终是否采用了非电阻电流检测解决方案?qNZednc

(原文刊登于EDN姊妹网站Planet Analog,参考链接:Current-sense resistor brings two related and challenging tradeoffs,由Ricardo Xie编译。)qNZednc

责编:Ricardo
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