取样电阻(三)

对于电流检测,过去的二十年间两种不同原理的检测方法占据着这个市场,基于磁场的检测方法和基于分流器的检测方法.基于磁场的检测方法(以电流互感器和霍尔传感器为代表)具有良好的隔离和较低的功率损耗等优点,因此主要在驱动技术和大电流领域被电子工程师们选用,但它的缺点是体积较大,补偿特性、线性以及温度特性不理想.

在过去的几年间,由于小体积的高精度低阻值电阻器的实用化,以及数据采集和处理器性能的大幅度提升,已经导致传统的基于分流器的电流检测方法的技术革新,并使新的应用成为可能,这在十年前,是无法想象的.

车身电子控制系统的工作电流大多在1-100A之间,在特殊情况下(例如氧传感器加热),会有短时间200-300A的电流,车辆的启动电流甚至高达1500A.在电池和电源管理系统中,还有更极端的情况,车辆运行时持续电流为100-300A,而在静止状态,电流只有几毫安,这也需要被精确检测出来.

电流检测电阻的基本原理:

根据欧姆定律,当被测电流流过电阻时,电阻两端的电压与电流成正比.当1W的电阻通过的电流为几百毫安时,这种设计是没有问题的.然而如果电流达到10-20A,情况就完全不同,因为在电阻上损耗的功率(P=I2xR)就不容忽视了.我们可以通过降低电阻阻值来降低功率损耗,但电阻两端的电压也会相应降低,所以基于取样分辨率的考虑,电阻的阻值也不允许太低.

通常,下面的公式适用于计算电阻两端的电压:

U=RxI+Uth+Uind +Uiext+......

其中Uth是热电动势,Uind 是感应电压,Uiext是PCB引线上微小电流引起的压降.

其中与电流无关的因素而导致的误差电压能够直接影响到测量的精度,因此设计者应该了解这些因素并通过精心的电路板布局,尤其是选择合适的元件来降低相关的影响.

很多种导电材料可以用来制造电阻,但是这样的元件并不太适合做电流取样.因为电阻阻值与温度,时间,电压和频率等参数有关,R=R (T,t,P,Hz,U,A,m,p,...).

实际的电阻性能或多或少都和它的基础材料以及生产制程有关

理想的电流检测电阻应该完全与这些参数无关,当然这样的电阻是不存在的.实际的电阻特性见表1,包括温度系数TCR,长期稳定性,热电动势,负载能力,电感和线性度,其中的部分特性由材料本身决定;部分特性由元件设计决定,还有一些参数决定于生产制程.

早在1889年,德国Isabellenhuette公司发明了精密电阻合金锰镍铜(Manganin),其优良的特性奠定了精密测量技术的基础,后来该公司又发明了Isaohm 和 Zeranin,它们的电阻系数分别达到132mW xcm和29mW xcm,使电阻合金的家族更加完善,所有这些合金都极大地满足了全球对电阻材料的需求并且长期被精密电阻厂商成功应用.

过去25年,为了应对基于磁场的电流检测方法的发展,Isabellenhuette公司致力于通过对分流器电阻进行物理优化进而扩展分流器的电流检测的量程.与此同时,半导体公司已经改进了运算放大器的诸多特性比如漂移,温度系数和噪声,这促使电子工程师可以在设计中选用毫欧级阻值的分流电阻,解决了大电流条件下的高功率损耗问题.但随之而来的代价是因为干扰和热电效应等因素而引起的相关误差也大大增加,因此降低寄生电感和抑制热电动势就显得特别重要.

一,温度系数

是锰镍铜合金电阻的典型温度特性曲线,温度系数TCR单位为ppm/K,在20或25℃ 时,TCR=[R(T)-R(T0)]/R(T0) ×(T-T0),对于温度系数的定义,制造商标明温度的上限是必要的,举例说明在+20 -+60℃的温度范围内,测量系统经常选用TCR为几百个ppm/K 的低阻值的厚膜电阻器,比如TCR 为200 ppm/K的电阻器的温度特性,即使在如此小的范围内,+50℃的温度变化就足以导致阻值变化超过1%,这样的电阻是不能用于精确电流测量的,有些测量设备制造商甚至使用PCB走线的铜膜作为电流取样电阻,铜的TCR是4000 ppm/K(or 0.4%/K),2.5℃的温度变化就足以造成1%的误差.

二,热电动势

当温度轻微升高或者降低时,在不同材料的接触面上会产生热电势,这种效应对低阻值电阻的影响非常重要,尽管通常情况下热电势数值非常小,但微伏级的热电势能够严重地影响测量结果.

直到今天,电阻合金康铜依旧是绕线和冲压分流器(在片状材料上进行模压)的主要材料,尽管它有良好的TCR,但其对铜的热电势高达40mV/K.例如,使用1毫欧的分流电阻检测4A电流,10℃的温差就能产生400mV的电压差,相当于测量结果误差增大了10%.更严重的情况是,假如考虑到电阻尺寸,经常被忽略的珀尔帖效应(Peltier effect)可以通过接触面之间的相互加热或降温作用,将温差增大到20℃以上(非常极端的例子是焊接部位熔化).即使被测电路工作在恒定电流状态下,由于珀尔帖效应(Peltier effect)而产生的温差