毫歐姆電阻在汽車電子系統(tǒng)中的應(yīng)用

對(duì)于電流檢測，過去的二十年間兩種不同原理的檢測方法占據(jù)著這個(gè)市場，基于磁場的檢測方法和基于分流器的檢測方法?；诖艌龅臋z測方法(以電流互感器和霍爾傳感器為代表)具有良好的隔離和較低的功率損耗等優(yōu)點(diǎn)，因此主要在驅(qū)動(dòng)技術(shù)和大電流領(lǐng)域被電子工程師們選用，但它的缺點(diǎn)是體積較大，補(bǔ)償特性、線性以及溫度特性不理想。

在過去的幾年間，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，是無法想象的。

車身電子控制系統(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出來。

基本原理

根據(jù)歐姆定律，當(dāng)被測電流流過電阻時(shí)，電阻兩端的電壓與電流成正比。當(dāng)1W的電阻通過的電流為幾百毫安時(shí)，這種設(shè)計(jì)是沒有問題的。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。我們可以通過降低電阻阻值來降低功率損耗，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，Uind 是感應(yīng)電壓，Uiext是PCB引線上微小電流引起的壓降。

其中與電流無關(guān)的因素而導(dǎo)致的誤差電壓能夠直接影響到測量的精度，因此設(shè)計(jì)者應(yīng)該了解這些因素并通過精心的電路板布局，尤其是選擇合適的元件來降低相關(guān)的影響。

很多種導(dǎo)電材料可以用來制造電阻，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，...)。

表1 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)

理想的電流檢測電阻應(yīng)該完全與這些參數(shù)無關(guān)，當(dāng)然這樣的電阻是不存在的。實(shí)際的電阻特性見表1，包括溫度系數(shù)TCR，長期穩(wěn)定性，熱電動(dòng)勢，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量技術(shù)的基礎(chǔ)，后來該公司又發(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期被精密電阻廠商成功應(yīng)用。

過去25年，為了應(yīng)對(duì)基于磁場的電流檢測方法的發(fā)展，Isabellenhuette公司致力于通過對(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題。但隨之而來的代價(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)勢就顯得特別重要。

溫度系數(shù)

圖1 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，舉例說明在+20 -+60℃的溫度范圍內(nèi)，測量系統(tǒng)經(jīng)常選用TCR為幾百個(gè)ppm/K 的低阻值的厚膜電阻器，圖1中紅色曲線表示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1%，這樣的電阻是不能用于精確電流測量的，有些測量設(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。

圖1 錳鎳銅合金電阻的典型溫度特性曲線

熱電動(dòng)勢

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，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數(shù)值非常小，但微伏級(jí)的熱電勢能夠嚴(yán)重地影響測量結(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)銅的熱電勢高達(dá)40mV/K。例如，使用1毫歐的分流電阻檢測4A電流，10℃的溫差就能產(chǎn)生400mV的電壓差，相當(dāng)于測量結(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，熱電勢產(chǎn)生的電流小于3mA。

長期穩(wěn)定性

對(duì)于任何傳感器來說，長期穩(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。

圖2 是表面貼裝電阻的典型長期穩(wěn)定性曲線，可以看出在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)際是檢測不出來的。

圖2 表面貼裝電阻的典型長期穩(wěn)定性曲線

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0.3 mm線徑的銅線會(huì)增加2.4 mW的RCu阻值，4mm長0.2mm寬 35mm厚度的PCB引線的RCu阻值是10mW。

圖3 一個(gè)四端子的連接將允許測量系統(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。

如圖4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有價(jià)值的。

圖4 四端子連接使得測量系統(tǒng)可以從高可靠性的感測元件直接獲取信號(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。

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，因此無法通過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)給周圍環(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)。(ISA-PLAN系列的電阻使用該技術(shù)制造，譯者注)

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期穩(wěn)定性和因溫度而引起的阻值變化。

圖5 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。(ISA-WELD系列的電阻使用該技術(shù)制造，譯者注)

低電感

在當(dāng)今的很多應(yīng)用中需要測量和控制高頻電流，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)生的磁場和外圍磁場而形成的感應(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)(見圖6中的綠線)，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)(見圖6中的紅線)結(jié)果是天線效應(yīng)會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出電阻本身實(shí)際電感的影響。

圖6 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

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(圖7)，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。

圖7 用錳鎳銅合金帶直接沖壓成電阻器

而圖8的方法，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。

圖8 用復(fù)合材料沖壓電阻會(huì)大大地減少誤差

汽車應(yīng)用說明

出于成本和小型化的原因，汽車電子中檢測100A以下的電流越來越多地使用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)到四引線的檢測精度。

對(duì)于電流檢測在燃油直噴系統(tǒng)，變速箱控制，前燈控制，車窗控制和引擎管理模塊中的應(yīng)用，一個(gè)使用銅基板來實(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，車窗升降器等。

典型應(yīng)用也包括開關(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)

汽車電子中有一種應(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量，同時(shí)對(duì)于毫安級(jí)的電流也要求有極高的測量精度和分辨率，比如乘用車，卡車和混合動(dòng)力汽車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，除了可以測量電流外，還能同時(shí)測量溫度和電壓。ISA-ASIC是目前汽車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。