用於檢測電流的最常見傳感元件，是置於電流路徑中的低阻值精密電阻器。該gai電dian阻zu通tong常chang稱cheng為wei分fen流liu器qi，會hui在zai兩liang端duan產chan生sheng一yi個ge與yu通tong過guo它ta的de電dian流liu成cheng比bi例li的de電dian壓ya。由you於yu分fen流liu電dian阻zu器qi不bu應ying該gai顯xian著zhu影ying響xiang電dian流liu
，所suo以yi它ta通tong常chang非fei常chang小xiao，阻zu值zhi為wei毫hao歐ou級ji或huo不bu到dao一yi毫hao歐ou (mΩ)。分流電阻器兩端產生的電壓因此也非常小，在被ADC轉換之前通常需要放大。

 

結合這些因素，針對電流監控的常用信號鏈配置會涉及到一個用於放大分流電阻器兩端電壓的模擬前端、一個將放大的電壓轉換為數字信號的ADC，以及一個係統控製器（圖 1）。

 

圖1：測量電流的最簡單方法是使用分流電阻器（最左側）
，電阻器上產生的電壓與流經它的電流成正例。為了使用完整的ADC測量範圍，模擬前端 (AFE) 會放大分流電阻器兩端的低電壓。（圖片來源：Texas Instruments）

 

AFE通常使用運算放大器或專用電流檢測放大器實現，將分流電阻器兩端產生的小差分電壓轉換為更大的輸出電壓，以便使用完整的ADC測量範圍。ADC可以是獨立器件


，也可以是微控製器或片上係統 (SoC) neidepianzaimokuai，keduidianyaxinhaojinxingshuzihuachuli，bingjiangjieguoxinxitigonggeikongzhichuliqi。xitongkongzhiqishiyongdianliudeshuzihuaceliangjieguo，laiyouhuaxitongxingnenghuoshixiananquanxieyi，yifangzhizaidianliuchaoguoyushexianzhishisunhuaixitong。

 

在將電流轉換為電壓的鏈路中
，電阻器作為傳感器元件
，其任何物理特性（電阻、容差
、功率容量、熱係數和熱電勢）都會影響精度。因此，選擇合適的分流電阻器對於優化電流測量至關重要。

 

fenliudianzuqiliangduanchanshengdefenliudianzuzhihexiangyingdianyahuiraoluanxitong。liru，dianzutaidadefenliudianzuqikejiangdiyongyuqudongfuzaidedianya，bingdaozhibubiyaodesunhao。

 

舉個例子，當測量電機繞組的電流時，降低的電壓會減少電機可用的電能，從而影響其能效和/或扭矩。此外，流經分流電阻器的大電流（數十或數百安培）將導致電阻器消耗大量電能，散發廢熱，使得測量精度和效率降低。出於以上原因，分流電阻器應盡可能小。
 

 

由(you)於(yu)分(fen)流(liu)電(dian)阻(zu)器(qi)會(hui)因(yin)負(fu)載(zai)電(dian)流(liu)流(liu)過(guo)而(er)消(xiao)耗(hao)電(dian)能(neng)
，因(yin)此(ci)它(ta)們(men)的(de)電(dian)阻(zu)值(zhi)需(xu)要(yao)非(fei)常(chang)低(di)。此(ci)外(wai)，為(wei)實(shi)現(xian)測(ce)量(liang)穩(wen)定(ding)性(xing)，電(dian)流(liu)檢(jian)測(ce)電(dian)阻(zu)還(hai)應(ying)具(ju)有(you)非(fei)常(chang)低(di)的(de)電(dian)阻(zu)溫(wen)度(du)係(xi)數(shu) (TCR)。低TCR將有益於實現高測量精度，且受溫度影響較小。

 

電(dian)流(liu)檢(jian)測(ce)電(dian)阻(zu)的(de)熱(re)電(dian)勢(shi)是(shi)另(ling)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)特(te)征(zheng)。分(fen)流(liu)電(dian)阻(zu)器(qi)必(bi)須(xu)在(zai)寬(kuan)電(dian)流(liu)範(fan)圍(wei)內(nei)工(gong)作(zuo)。當(dang)電(dian)流(liu)較(jiao)低(di)時(shi)，例(li)如(ru)在(zai)睡(shui)眠(mian)或(huo)待(dai)機(ji)模(mo)式(shi)下(xia)的(de)電(dian)池(chi)應(ying)用(yong)中(zhong)，分(fen)流(liu)器(qi)的(de)熱(re)電(dian)勢(shi)會(hui)將(jiang)測(ce)量(liang)誤(wu)差(cha)電(dian)壓(ya)增(zeng)加(jia)到(dao)流(liu)經(jing)電(dian)阻(zu)器(qi)的(de)電(dian)流(liu)所(suo)產(chan)生(sheng)的(de)電(dian)壓(ya)。該(gai)誤(wu)差(cha)電(dian)壓(ya)應(ying)顯(xian)著(zhu)低(di)於(yu)流(liu)經(jing)分(fen)流(liu)電(dian)阻(zu)器(qi)的(de)目(mu)標(biao)電(dian)流(liu)產(chan)生(sheng)的(de)最(zui)低(di)預(yu)期(qi)電(dian)壓(ya)，從(cong)而(er)最(zui)大(da)限(xian)度(du)減(jian)小(xiao)測(ce)量(liang)誤(wu)差(cha)。

 

yongyudianliujianceyingyongdefenliudianzuqitigonglianggehuosigeduanzi。daiyoulianggeduanzidefenliudianzuqizuirongyilijie
，yinweitadegongzuofangshiyurenheshuangduanzidianzuqidegongzuofangshixiangtong。dianliutongguoshuangduanzifenliudianzuqi，huizaiqiduanzishangchanshengyigeyutongguodianzuqidedianliuchengzhengbilidedianya。

 

雙端子分流電阻器的示例包括Bourns的CSS2分流電阻器係列和Vishay的WSLP分流電阻器係列。Bourns CSS2係列包括額定功率為2至15 W的分流電阻器
，電阻介於0.2至5mΩ，最大額定電流介於140至273 A。該係列中的典型器件CSS2H-2512R-L500F采用2512表麵貼裝封裝，電阻為0.5 mΩ，額定功率為6 W。

 

Vishay的WSLP分流電阻器係列具有不同的表麵貼裝封裝類型，封裝尺寸從0603至2512不等
，額定功率為0.4至3W，電阻為0.5mΩ至0.1Ω，電阻容差為0.5%或1%。

 

WSLP1206R0150FEA就是一個典型的Vishay分流電阻器
，它采用1206封裝，電阻為15mΩ
，容差為1%，額定功率為1W。

 

請注意

，這些表麵貼裝技術 (SMT) 分流電阻器較小，需要的電路板空間很小，但由於它們的發熱量很大，因此應遠離熱敏元件。

分流電阻器中的三個電阻

 

分流電阻器並不像其外表看起來那麼簡單。具體而言
，分流電阻器的電阻實際上由三個電阻組成（圖2）。shouxian，fenliudianzuqibenshenyoudianzu。qici
，fenliudianzuqiyinxianhefenliudianzuqilianjiedeyinshuadianlubanshangdeyinxianyeyoudianzu。tongchangzhexieyinxiandianzubumingxian
，danshifenliudianzuqidedianzuzhitongchangfeichangdi。zaigaodianliuceliangzhong
，jishihenxiaodeyinxiandianzuyehuiyinruceliangwucha，yinweizhizaoshangdefenliudianzuqidianzuguigezhongbingweikaolvzhexiedianzu。

 

圖2：雙端子分流電阻器有三個串聯電阻：實際分流電阻器的電阻、電阻器兩根引線的電阻以及電阻器連接的印刷電路板上的引線或印製線的電阻（未顯示）。引線電阻可能在高電流測量中導致測量誤差。（圖片來源：Bourns）

 

避免外部引線電阻引起測量誤差的一種方法是，通過在雙端子分流電阻器上部署單獨檢測印製線來建立開爾文連接（圖3）。

 

圖3：雙端電流檢測電阻器的開爾文連接可減少電阻器和電路板引線電阻引起的測量誤差。右側顯示的是雙端子分流電阻器實例圖像。（圖片來源：Bourns）

 

在zai此ci配pei置zhi中zhong
，大da的de電dian路lu板ban印yin製zhi線xian承cheng載zai分fen流liu電dian阻zu器qi的de電dian流liu輸shu入ru和he輸shu出chu。小xiao的de多duo的de印yin製zhi線xian則ze不bu在zai主zhu電dian流liu中zhong

，但dan盡jin可ke能neng靠kao近jin分fen流liu電dian阻zu器qi的de電dian阻zu元yuan件jian，截jie取qu分fen流liu電dian阻zu器qi兩liang端duan的de電dian壓ya並bing將jiang該gai電dian壓ya傳chuan送song到daoAFE。將載流端子與檢測端子分開，即形成開爾文連接。

 

使用雙端子分流電阻器的開爾文連接的結果示意圖表示如圖4所示。

 

圖4：使用到雙端子分流電阻器的開爾文連接
，將電壓檢測線路與主電流路徑分離，從而對分流電阻器實現更精確的電壓測量。（圖片來源：Bourns）

 

流經圖4所示的兩個檢測電阻的電流非常小，因為它們連接到放大器或ADC 的(de)高(gao)阻(zu)抗(kang)輸(shu)入(ru)端(duan)
，這(zhe)使(shi)其(qi)電(dian)阻(zu)遠(yuan)不(bu)如(ru)承(cheng)載(zai)分(fen)流(liu)電(dian)阻(zu)器(qi)輸(shu)入(ru)和(he)輸(shu)出(chu)高(gao)電(dian)流(liu)的(de)引(yin)線(xian)電(dian)阻(zu)值(zhi)重(zhong)要(yao)。因(yin)此(ci)
，檢(jian)測(ce)電(dian)阻(zu)上(shang)的(de)電(dian)壓(ya)降(jiang)非(fei)常(chang)小(xiao)，不(bu)構(gou)成(cheng)電(dian)流(liu)測(ce)量(liang)的(de)重(zhong)要(yao)誤(wu)差(cha)源(yuan)。

 

 

從圖3中zhong的de印yin刷shua電dian路lu板ban布bu局ju圖tu中zhong可ke以yi看kan出chu
，即ji使shi使shi用yong開kai爾er文wen連lian接jie
，也ye不bu可ke能neng完wan全quan消xiao除chu雙shuang端duan子zi分fen流liu電dian阻zu器qi中zhong的de引yin線xian電dian阻zu。當dang分fen流liu電dian阻zu器qi放fang置zhi並bing焊han接jie到dao電dian路lu板ban上shang時shi
，需xu要yao有you一yi些xie焊han盤pan布bu局ju公gong差cha以yi容rong納na定ding位wei誤wu差cha。

 

此外
，印刷電路板銅印製線的TCR（3900 ppm/ ̊C）遠高於分流電阻器阻性元件的TCR（通常低於 50 ppm/ ̊C）。 這些參數差異導致電路板印製線中的電阻變化遠高於電流檢測電阻器的變化
，使得檢測電路受溫度影響較大。

 

當(dang)使(shi)用(yong)具(ju)有(you)開(kai)爾(er)文(wen)連(lian)接(jie)的(de)雙(shuang)端(duan)子(zi)分(fen)流(liu)電(dian)阻(zu)器(qi)時(shi)
，對(dui)於(yu)涉(she)及(ji)極(ji)高(gao)電(dian)流(liu)的(de)許(xu)多(duo)電(dian)流(liu)檢(jian)測(ce)應(ying)用(yong)來(lai)說(shuo)，精(jing)度(du)可(ke)能(neng)不(bu)足(zu)。對(dui)於(yu)此(ci)類(lei)應(ying)用(yong)

，製(zhi)造(zao)商(shang)提(ti)供(gong)帶(dai)有(you)四(si)個(ge)端(duan)子(zi)的(de)分(fen)流(liu)電(dian)阻(zu)器(qi)
，在(zai)電(dian)阻(zu)器(qi)內(nei)實(shi)現(xian)開(kai)爾(er)文(wen)連(lian)接(jie)。通(tong)過(guo)采(cai)用(yong)該(gai)電(dian)阻(zu)器(qi)，製(zhi)造(zao)商(shang)可(ke)以(yi)完(wan)全(quan)控(kong)製(zhi)與(yu)開(kai)爾(er)文(wen)連(lian)接(jie)相(xiang)關(guan)的(de)所(suo)有(you)公(gong)差(cha)和(he)溫(wen)度(du)係(xi)數(shu)（圖5）。

 

圖5：四端子分流電阻器實現高精度開爾文連接
，檢測連接緊鄰分流電阻器。右側顯示的是四端子分流電阻器實例圖像。（圖片來源：Bourns）

 

采(cai)用(yong)開(kai)爾(er)文(wen)連(lian)接(jie)的(de)四(si)端(duan)子(zi)電(dian)流(liu)檢(jian)測(ce)電(dian)阻(zu)器(qi)采(cai)用(yong)適(shi)合(he)電(dian)阻(zu)器(qi)高(gao)電(dian)流(liu)和(he)電(dian)壓(ya)測(ce)量(liang)的(de)獨(du)立(li)端(duan)接(jie)
，有(you)助(zhu)於(yu)提(ti)高(gao)測(ce)量(liang)精(jing)度(du)。此(ci)外(wai)
，與(yu)使(shi)用(yong)電(dian)路(lu)板(ban)布(bu)局(ju)實(shi)現(xian)開(kai)爾(er)文(wen)連(lian)接(jie)的(de)雙(shuang)端(duan)子(zi)分(fen)流(liu)電(dian)阻(zu)器(qi)相(xiang)比(bi)，使(shi)用(yong)帶(dai)有(you)內(nei)置(zhi)開(kai)爾(er)文(wen)連(lian)接(jie)的(de)四(si)端(duan)子(zi)分(fen)流(liu)電(dian)阻(zu)器(qi)可(ke)以(yi)提(ti)高(gao)溫(wen)度(du)穩(wen)定(ding)性(xing)
，從(cong)而(er)降(jiang)低(di)TCR影響。

 

Bourns在其CSS4係列表麵貼裝器件中提供了幾種四端子分流電阻器（圖6）。

 

圖6：Bourns的CSS4表麵貼裝分流電阻器采用四端子開爾文連接，以最大限度地提高電流測量精度。（圖片來源：Bourns）

 

Bourns CSS4係列的代表產品包括容差1%
、5 W、0.5mΩ的CSS4J-4026R-L500F和容差1%、4W，2mΩ的CSS4J-4026K-2L00F分流電阻器。這兩款器件均具有低TCR
、低熱電勢以及小於10mm x 7mm的物理封裝尺寸。

 

 

測ce量liang電dian流liu的de第di一yi步bu是shi將jiang電dian流liu轉zhuan換huan為wei更geng易yi於yu測ce量liang的de電dian壓ya參can數shu。分fen流liu電dian阻zu器qi是shi完wan成cheng此ci任ren務wu的de高gao性xing價jia比bi元yuan件jian。但dan是shi，如ru文wen中zhong所suo述shu
，分fen流liu電dian阻zu器qi的de阻zu抗kang值zhi應ying該gai很hen低di，以yi最zui大da限xian度du地di減jian少shao其qi對dui電dian路lu的de影ying響xiang，並bing最zui大da限xian度du地di降jiang低di電dian阻zu器qi本ben身shen的de功gong率lv耗hao散san。

 

分流電阻器的其他重要參數包括TCR和熱電勢

，這兩者都會顯著影響電流測量精度。

 

最後，為了最大限度地提高測量精度
，確保高電流經由檢測路徑流經電流檢測電阻器——這一點至關重要——方法是使用特殊印刷電路布局為雙端子電流檢測電阻創建開爾文連接
，或使用四端子電流檢測電阻。

 

由於低電阻值意味著電流檢測電阻上產生的電壓很小，本係列文章的第2部分將討論如何設計將低電壓放大為更大電壓的AFE的考慮因素，以使電壓更易被ADC測量

。

 

參考資料：

1. Pini, A. (2018)。有效選擇並應用電流檢測放大器以更好地管理電源。Digi-Key文庫。

2. 阻值太低,無法測量?來試試開爾文測試吧

 

來源： 得捷電子DigiKey   作者：Steve Leibson