取样电阻(一)

在一些电子测量仪器、装置或产品中,经常有测量电路中直流电流的需要,因此研发人员开发出各种各样的电流检测集成电路.它是一种I/V转换器,将测量的电流转换成相应的电压,即V=kI,其中k为比例常数.另外,在一些电子产品中要限制输出电流,以防止有故障时(负载发生局部短路或输出端短路、电源输出电压升高等)产生过流而造成更大损失.检测到有过流发生时,可以控制关断电源或负载开关,或以限制的电流输出.

图1

图1是一种电流检测电路.RS是电流检测电阻,RL是负载(通常为直流电机、电磁阀或加热器等).当电流流过电流检测电阻时产生一个电压降VRS,此电压输入电流检测IC,经放大器放大后输出与电流I成比例的电压V.为减小在RS上的电压降VR,检测电阻一般取很小阻值(几毫欧到几百毫欧).

图2 过流保护的负载开关结构框图

图2是一种带过流保护的负载开关结构框图,图2中,RL是负载,RS是电流检测电阻.流过RS的电压降VRS与电流I成比例,此电压VRS输入负载开关VI端.若内部电流检测电路检测出有过流状态,输出过流信号(电平信号)给通、断控制电路,关断负载开关.一旦开关断开,RS上电压VRS=0,开关又接通,产生振荡,如图3所示.输出电流将小于限制电流.更好的办法是通过FLAG端输出过流信号给μC,使μC输出低电平给负载开关ON端,关断负载开关.图2中未画出μC及μC与负载开关的连线.

从图1及图2可看出:无论电流测量或电流限制控制电路都需要外接电流检测电阻RS.RS的选择是否正确及RS的质量好坏,对电流测量精度有很大的影响.

电流检测电阻的要求及特点

电流检测电阻是随电流测量、电流控制的要求开发出来的一种特殊电阻.电流的测量范围很广,从几毫安到几十安;测量的精度要求不同,电流检测电阻也有不同的规格以满足不同的需要.本文主要介绍高精度电流检测电阻,其主要要求及特点如下.

表1 LR2512与CS1225的主要性能参数

1.RS的阻值小于10Ω

为减少在RS上的电压降及减小在RS上的功率损耗,RS的阻值要求小.一般在大电流测量时(几安到几十安)要采用毫欧级的RS.例如,检测电流为12A,若RS=0.1Ω(100mΩ),则在RS上的压降VRS=1.2V,其功耗为14.4W.如果电源电压为12V,则在负载上的工作电压已降到10.8V;并且在检测电阻RS上的损耗也太大.若采用5mΩ的RS,则RS上的压降减小到0.075V,其功耗减少为 0.72W.测量电流小时(如几十毫安到几百毫安),RS值可取零点几欧姆到几欧姆.所以电流检测电阻RS的阻值是小于10Ω的.目前已开发出超小阻值的系列,有1mΩ、0.5mΩ、及0.25mΩ系列的电流检测电阻.

图3 内部电流检测电路产生振荡

2.四引线结构

当电流检测电阻值已小到几毫欧时,其引线的电阻造成的误差则不能忽略,为此开发出四引线结构,如图4所示.接近电阻根部的两引线为测量VRS端,另两根引线为电流的通路.在电阻根部测量RS上的电压(消除了引线电阻的测量误差)是精密测量方法,也称为凯尔文(Kelvin)测量法.

图4 四引线结构

3.RS的允差要求小

为保证电流测量的精度,RS的允差要求小.一般精密电阻的允差可达±0.01%,但电流检测电阻值很小时(如RS=2mΩ),其允差达不到±1%,目前其允差可做到±0.5%.一般允差为±0.5%~±5%.

图5 70℃时降功耗使用

4.温度系数(TCR)要求小

在测量大电流时,RS的功耗可达1W以上,自身会发热,若Rs自身温度系数大,则电阻值发生变化而引起测量误差.另外,环境温度TA也会影响Rs的阻值变化,所以要求RS的温度系数小.目前典型的电流检测电阻的TCR为 ±1~±15×10-6/℃(在TA=0~60℃时,RS1Ω).除要求其TCR小外,还要求有长期稳定性.

5.额定功率大

为满足大电流的测量,其额定功率一般为1~3W,某些功率电流检测电阻在加散热片的条件下可达10W(允许测更大的电流).

表2 LR的外廓尺寸及焊盘尺寸-允差

6.允许环境温度(TA)宽

电流检测电阻的工作温度范围宽,一般为-55~+125℃.有一些可达150℃.但大部分RS在25℃后要降功耗使用,个别的RS可在70℃后才降功耗使用.例如,某电流检测电阻在25℃时的额定功耗为1W,在100℃的工作温度时,其允许的功耗已降到50%即0.5W;若在150℃工作温度条件下,则允许功耗降到20%即0.2W.这一点在实际使用时十分重要.

表3 几种典型的电流检测电阻

7.热电动势要小

典型值为0.05 μV/℃.

典型的电流检测电阻

电流检测电阻的生产厂家很多,同一生产厂家也会生产出几种或几十种不同的电流检测电阻(如不同的电流测量范围、不同的精度、不同的封装等).这里介绍KAT公司的高精电流检测电阻LR系列和CS系列及一些同类产品.

1.主要特点

LR系列高