使用亞毫歐電阻進(jìn)行電流檢測(cè)有它的優(yōu)勢(shì)但也面臨挑戰(zhàn)

用于測(cè)量負(fù)載電流的標(biāo)準(zhǔn)方法之一是在負(fù)載線中插入一個(gè)低阻值電阻器并檢測(cè)其兩端的電壓，圖 1，然后是歐姆定律的模擬或數(shù)字實(shí)現(xiàn)。

圖 1 (a) 電流檢測(cè)電阻器可以放置在電源軌和負(fù)載之間(高端)，或者 (b) 放置在負(fù)載和地之間(低端);高端傳感更難實(shí)現(xiàn)，但在許多情況下具有顯著的系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)。

與許多工程決策一樣，選擇使用什么電阻值是一種權(quán)衡。較高值的電阻器會(huì)產(chǎn)生較高的 IR 壓降和其端子上的電壓，從而簡(jiǎn)化電壓檢測(cè)并提高 SNR。但是，它會(huì)降低可能流向負(fù)載的功率，并且這種耗散也會(huì)導(dǎo)致電阻器自熱，從而帶來漂移和可靠性問題。

相比之下，低阻值電阻可以最大限度地減少這種下降，但會(huì)帶來精度和 SNR 問題。由于輸入電壓偏移和偏置電流以及它們隨后的溫度相關(guān)漂移，檢測(cè)放大器電路(幾乎總是為此類應(yīng)用設(shè)計(jì)的運(yùn)算放大器)中的缺陷也會(huì)影響較低的電壓降 - 所有這些這可能會(huì)破壞超出允許公差的感測(cè)值。

一般來說，最好使用較小值的電阻器，其相關(guān)電壓降和功率損耗較低，總體上更好，但只能達(dá)到一定程度。一個(gè)起點(diǎn)指導(dǎo)原則是在最大電流下為大約 100 mV 壓降確定電阻器的大小。對(duì)于許多應(yīng)用，快速 V = IR 計(jì)算將電流檢測(cè)電阻值置于 1 到 10 毫歐之間。然而，在低壓應(yīng)用中，即使是適度的 100 mV 壓降和相關(guān)的耗散，也可能超出可接受的范圍。

近年來，用于讀取檢測(cè)電阻器兩端電壓的精密低壓運(yùn)算放大器的出現(xiàn)使得使用亞毫歐電流檢測(cè)電阻器成為可能。這些運(yùn)算放大器(例如德州儀器 TI INA185和 Analog Devices AD8417)具有超低電壓偏移和偏置電流以及低溫度系數(shù) (tempcos)，因此可以使用這種低歐姆電阻器。

然而，與幾乎每一次進(jìn)步一樣，都有一系列新的考慮和擔(dān)憂。我看到了 TT Electronics 的業(yè)務(wù)開發(fā)工程師 Stephen Oxley 撰寫的一篇出色的應(yīng)用說明。他討論了如何克服使用這些低歐姆值電流檢測(cè)電阻器時(shí)固有的挑戰(zhàn)，圖 2。

圖 2 TT Electronics 的 LRMAP3920 系列表面貼裝電阻器的尺寸約為 5 × 10 mm，可提供 0.2 mΩ 至 3 mΩ 的值。

在他的篇幅相對(duì)適中且可讀性強(qiáng)的文章“克服使用亞毫歐 SMD 的挑戰(zhàn)”中，他解釋了使用這些電阻器與毫歐級(jí)電阻器不同的許多方式，以及它們?nèi)绾尾磺‘?dāng)?shù)貞?yīng)用，從而使其精度，一致性，甚至可信度都會(huì)受到影響。

應(yīng)用筆記提供了在使用亞毫歐檢測(cè)電阻時(shí)需要注意的三個(gè)方面：

· 如何以及為什么將這些亞毫歐芯片視為一個(gè)單獨(dú)的組件類別，而不僅僅是毫歐版本的低價(jià)值版本。

· 如何避免元件選擇和PCB布局設(shè)計(jì)過程中的陷阱。

· 在每個(gè)階段量化和最小化錯(cuò)誤和變化的方法。

在眾多細(xì)節(jié)中，有與幾乎強(qiáng)制使用四線開爾文連接有關(guān)的問題，以及連接位置和方式的細(xì)微差異如何影響性能;預(yù)測(cè)和適應(yīng)由不同金屬結(jié)處的熱電效應(yīng)產(chǎn)生的電壓差;整個(gè)傳感組件的電流路徑和電壓傳感回路;使用多個(gè)并聯(lián)電阻的不同方式來降低凈電阻或增加額定功率(圖 3);當(dāng)然，還有不可避免的散熱問題。簡(jiǎn)而言之：當(dāng)我們的檢測(cè)電阻器本身為亞毫歐時(shí)，電阻器到電路的路徑和接觸電阻成為故事的重要組成部分。

圖 3即使是使用兩個(gè)并聯(lián)電阻的簡(jiǎn)單原理，在使用超低阻值電阻時(shí)，也會(huì)在電流路徑方面帶來微妙的布局考慮。

我不會(huì)詳細(xì)總結(jié)這篇文章;你讀它更有意義。請(qǐng)注意，這篇文章幾乎完全是關(guān)于電阻器、材料、終端和電流路徑的，幾乎沒有提到相關(guān)的電子設(shè)備——這是另一個(gè)你必須計(jì)算錯(cuò)誤預(yù)算的地方。

再一次，最初看起來是一個(gè)簡(jiǎn)單而有益的選擇，實(shí)際上充滿了許多微妙之處以及錯(cuò)誤應(yīng)用新組件的方法，從而否定了它可能提供的任何好處。畢竟，還有什么比檢測(cè)電阻和歐姆定律更基本的呢?

更糟糕的是，我們實(shí)際上可能會(huì)得到較差的結(jié)果而不知道它，并假設(shè)我們的讀數(shù)是準(zhǔn)確且一致的，結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)信號(hào)和數(shù)據(jù)具有誤導(dǎo)性。它再次證明了這樣一個(gè)事實(shí)，即任何說“這是一個(gè)簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換”或“一切都很好”的人要么是資深的、經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師，要么是專業(yè)知識(shí)的另一端。

我們是否曾經(jīng)將新的設(shè)計(jì)或組件選項(xiàng)視為一種改進(jìn)的、有益的替代方案，但后來發(fā)現(xiàn)它也有令人驚訝的缺點(diǎn)?這些負(fù)面因素是你可以通過做更多的功課來預(yù)測(cè)和更好地評(píng)估的，還是故意或只是由于情況的復(fù)雜性而被埋得很深?