電流量測基礎知識:第 1 篇 – 電流感測電阻

作者:Steve Leibson

資料提供者:Digi-Key 北美編輯群

編者說明:本系列文章分為兩篇,探討電流感測中經常被忽視的細微差異。第 1 篇 (本篇) 將討論電流感測電阻的一般設置、選擇與實作。第 2 篇將討論相關的電路,如重要的類比前端 (AFE) 及儀表放大器。

電流量測的基本知識

在評量、控制和診斷電子系統的操作效能時,電流是最常使用的參數之一。由於這是如此常見的測量項目,設計人員若低估電流量測準確度的細微差異,就可能會遭遇麻煩。

最常用來偵測電流的感測元件是裝設在電流途徑上的低值精密電阻。這種電阻通常稱為分流器,其產生的電壓與通過的電流成正比。由於分流電阻不能對電流造成重大影響,數值通常較小,只有毫歐姆 (mΩ) 或毫歐姆的幾分之幾而已 。因此,分流電阻產生的電壓也很小,通常需要先經過放大才能用 ADC 進行轉換。

在此情況下,有個常見的訊號鏈組態可用來監測電流,其中涵蓋類比前端來放大分流電阻產生的電壓,有 ADC 來將放大的電壓轉換為數位形式,還有系統控制器 (圖 1)。

電流分流電阻示意圖

圖 1:最簡單的電流測量方式就是使用電流分流電阻 (最左邊),上面會產生與通過電流成正比的電壓。AFE 會針對通過分流電阻產生的低電壓進行放大,藉此充分利用 ADC 的量測範圍。(圖片來源:Texas Instruments)

AFE 通常會搭配運算放大器或專屬電流感測放大器實作,將通過分流電阻產生的微小差動電壓轉換成較大的輸出電壓,藉此充分利用 ADC 的量測範圍。ADC 可以是獨立元件,或是微控制器或系統單晶片 (SoC) 內的晶片上區塊,可將電壓訊號數位化,並將得出的資訊提供給控制處理器。系統控制器使用數位化的電流量測結果來優化系統效能或執行安全協定,以避免系統在電流超過預設限制時受損。

該電阻為訊號鏈中用來將電流轉換為電壓的感測器元件,其物理特性 (電阻、容差、功率容量、溫度係數及熱電動勢) 都會影響到準確度。因此若要達到最佳化電流量測,就必須選擇適當的分流電阻。

分流電阻值和通過分流電阻產生的對應電壓都會擾亂系統。舉例來說,若分流電阻的電阻太大,可能會降低用來驅動負載的電壓,造成不必要的損耗。

例如在測量供應至馬達線圈的電流時,若電壓降低,將減少能供應至馬達的電力,進而影響馬達的效率及/或扭力。此外,若通過分流電阻的電流過大 (數十或數百安培),則會導致電阻將大量電能以廢熱的形式排出,降低量測的準確度與效率。基於上述原因,分流器的電阻值應當是越小越好。

挑選電流量測用的分流電阻

因為分流電阻會在負載電流通過時耗散功率,所以分流電阻的電阻值必須非常低。此外,為了保持量測的穩定,電流感測電阻的電阻溫度係數 (TCR) 也必須很低。使用 TCR 低的電阻,可達到高測量準確度,並且不太會受到溫度的影響。

電流感測電阻的熱電動勢是另一個重要的特性。電流分流電阻必須能在大範圍電流下運作。舉例來說,使用電池供電的應用在休眠或待機模式時電流很低,分流器的熱電動勢會針對通過電阻的電流所產生的電壓增加一個可測量的誤差電壓。這個誤差電壓應當遠低於電流通過分流電阻時預期產生的最低電壓,從而將量測誤差降低到最小。

電流感測應用的分流電阻提供雙端子或四端子類型。雙端子的分流電阻最容易理解,運作原理就跟其他雙端子電阻一樣。電流通過雙端子分流電阻時,會在端子上產生與通過電流成正比的電壓。

雙端子分流電阻的範例包括 Bourns CSS2 分流電阻系列,以及 Vishay WSLP 分流電阻系列。Bourns CSS2 系列中分流電阻的額定功率為 2 至 15 W,電阻值為 0.2 至 5 mΩ,最高電流額定值為 140 至 273 A。該系列有個典型元件是 CSS2H-2512R-L500F,採用 2512 表面黏著封裝,電阻值為 0.5 mΩ,功率額定值為 6 W。

Vishay 的 WSLP 分流電阻系列包含不同表面黏著封裝樣式的元件,覆蓋區大小從 0603 至 2512,功率額定值從 0.4 至 3 W,電阻值從 0.5 mΩ 至 0.1 Ω,電阻容差為 0.5% 或 1%。Vishay 有個典型的電流分流電阻是 WSLP1206R0150FEA,採用 1206 封裝,電阻值為 15 mΩ,容差為 1%,功率額定值為 1 W。

請注意,這些表面黏著技術 (SMT) 電流分流電阻雖然體積小,需要的電路板空間很少,但因為電阻會耗散大量熱能,因此安裝位置必須遠離熱敏感元件。

單一分流電阻提供三種電阻值

雖然表面上看不出來,但電流分流電阻其實並不如看起來那樣簡單。特別是分流電阻的電阻值其實包含三個值 (圖 2)。第一個是分流電阻本身的電阻值。再來還有分流電阻引線與所連接之印刷電路板引線的電阻值。通常這些引線電阻值微不足道,但電流分流電阻的電阻值通常也相當小,因此不得不納入考量。在進行高電流量測時,就算引線的電阻再小也可能造成量測誤差,因為製造商並未將此納入分流電阻的電阻規格中。

雙端子電流分流電阻有三個串聯電阻值示意圖

圖 2:雙端子電流分流電阻有三個串聯電阻值:分流電阻本身的電阻值、電阻兩個引線的電阻值,以及連接電阻之印刷電路板引線或走線的電阻值 (未顯示)。引線電阻在高電流量測時可能會造成量測誤差。(圖片來源:Bourns)

有個方法可避免無關緊要的引線電阻造成量測誤差,那就是設置獨立的感測走線到雙端子分流電阻,達到開爾文接法 (圖 3)。

使用開爾文接法連接至雙端子電流感測電阻的示意圖

圖 3:使用開爾文接法連接至雙端子電流感測電阻,能降低量測時因電阻和電路板引線電阻產生的誤差。右邊為雙端子電流分流電阻的範例圖片。(圖片來源:Bourns)

在此組態下,大型電路板走線會將電流輸入與輸出電流分流電阻。不在主電流路徑上,但裝設位置相當靠近分流電阻之電阻元件的較小走線,會感測分流電阻兩端的電壓,然後傳送至 AFE。開爾文接法的用意在於分隔載流端子與感測端子。

使用雙端子分流電阻的開爾文接法最終線路圖如圖 4 所示。

使用開爾文接法連接至雙端子分流電阻的示意圖

圖 4:使用開爾文接法連接至雙端子分流電阻,能讓電壓感測線路獨立於主要電流路徑之外,因此可在分流電阻上達到更準確的電壓量測。(圖片來源:Bourns)

在圖 4 中,兩個感測電阻連接到放大器或 ADC 的高阻抗輸入,因此流經這些電阻的電流非常小,,這會導致感測電阻的電阻值重要性遠不及將高電流輸入與輸出分流電阻的引線之電阻值。這樣一來,感測電阻造成的壓降相當小,不會對電流量測造成太多的誤差。

選擇雙端子還是四端子?

從圖 3 的印刷電路板示意圖可以看到,要完全消除雙端子分流電阻的引線電阻值是不可能的,即使用開爾文接法也無法達成。必須要有一定的焊盤佈局容差,才可在分流電阻裝設並焊接至電路板時,因應其位置誤差。

此外,印刷電路板銅走線的 TCR (3900 ppm/°C) 比分流電阻之電阻元件的 TCR (通常低於 50 ppm/°C) 要高得多。這些參數上的差異造成電路板走線的電阻變化遠高於電流感測電阻的變化,因此感測電路受到溫度的影響也較高。

使用開爾文接法連接雙端子分流電阻的方式,若是用於許多涉及超高電流的電流感測應用,精確度可能有所不足。針對這類應用,製造商提供搭載四端子的分流電阻,就可在電阻中實作開爾文接法。這樣一來,製造商便能完全控制開爾文接法所有相關的容差與溫度係數 (圖 5)。

四端子分流電阻實作高精確度開爾文接法的示意圖

圖 5:四端子分流電阻採用高精確度開爾文接法,其中的感測連接相當靠近分流電阻。右方為四端子電流分流電阻的範例圖片。(圖片來源:Bourns)

在使用開爾文接法的四端子電流感測電阻中,高電流流通的端子,與電壓量測用的端子不同,有助於改善量測準確度。此外,與使用電路板佈局來實作開爾文接法的雙端子分流電阻比起來,使用內建開爾文接法的四端子分流電阻,溫度穩定性有所提升,能減少 TCR 造成的影響。

Bourns 在 CSS4 系列表面黏著元件中提供多種四端子分流電阻 (圖 6)。

Bourns 的 CSS4 表面黏著分流電阻示意圖

圖 6:Bourns 的 CSS4 表面黏著分流電阻使用四端子開爾文接法,可達到最大的電流量測準確度。(圖片來源:Bourns)

Bourns CSS4 系列的代表性產品包括 CSS4J-4026R-L500F (1%、5 W、0.5 mΩ),以及 CSS4J-4026K-2L00F (1%、4 W、2 mΩ)。以上兩種元件都具備低 TCR 與低熱電動勢的特性,且實體覆蓋區小於 10 mm x 7 mm。

結論

測量電流的第一步是要將電流轉換為比較容易測量的電壓參數。電流分流電阻可以做到這點,且價格並不高。然而就如本文所述,分流電阻應具有低電阻值,才可將對電路的影響降到最低,同時將電阻自身耗散的功率降到最低。

電流分流電阻其他重要的參數包含 TCR 和熱電動勢,兩者都會大幅影響電流量測的準確度。

最後,為了達到最大的量測準確度,必須要讓流經電流感測電阻的高電流與感測路徑彼此分離。方法是使用特殊的印刷電路板佈局,在雙端子電流感測電阻上達到開爾文接法,或是使用四端子電流感測電阻。

電阻值越低,代表電流感測電阻產生的電壓越小,本系列文章第 2 篇將討論設計 AFE 時的考量事項。AFE 能放大低電壓,讓 ADC 更容易測量。

參考資料:

  1. Pini, A. (2018).有效選擇並應用電流感測放大器來加強功率管理Digi-Key 文章庫

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關於作者

Steve Leibson

Steve Leibson 曾任 HP 和 Cadnetix 的系統工程師、EDN 和 Microprocessor Report 的總編輯,以及 Xilinx 和 Cadence 等的科技部落客,也曾在兩集《The Next Wave with Leonard Nimoy》電視節目中擔任技術專家。33 年來,他協助設計工程師開發更優良、更快速且更可靠的系統。

關於出版者

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