世界顶级高精密毫欧级电流检测电阻

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.

    表1 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
          
基本原理µΩ

  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1Ω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,µ,p,...).


  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132µΩxcm和29µΩ 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.
温度系数

  图1 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,图1中红色曲线表示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.

          
          图1  锰镍铜合金电阻的典型温度特性曲线
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)而产生的温差也会导致有电压存在,显示电流是不恒定的.关断电流之后,在温差消失之前,测量结果会显示有明显的电流存在,根据设计和阻值的不同,电流误差能有几个百分点或达到几个安培.而前面提到的精密电阻合金的热电特性和铜非常接近,金属和金属的接触面不会产生热电压,设计者甚至可以忽略珀尔帖效应(Peltier effect).比如使用一只0.3mΩ的电阻,产生的热电压小于1mV,在关掉100A电流的时侯,热电势产生的电流小于3mA.
长期稳定性

  对于任何传感器来说,长期稳定性都非常重要.甚至在使用了一些年后,人们都希望还能维持早期的精度.这就意味着电阻材料在寿命周期内一定要抗腐蚀,并且合金成分不能改变.要使测量元件满足这些要求,可以使用同质复合晶体组成的合金,通过退火和稳定处理的生产制程,以达到基本热力学状态.这样的合金的稳定性可以达到ppm/年的数量级,使其能用于标准电阻.

  图2 是表面贴装电阻的典型长期稳定性曲线,可以看出在140℃下老化1000小时后阻值只有大约-0.2%的轻微漂移,这是由于生产过程中轻微变形而导致的晶格缺损造成的.阻值漂移很大程度上由高温决定,因此在较低的温度下比如+100℃,这种漂移实际是检测不出来的.
            
             图2  表面贴装电阻的典型长期稳定性曲线

四端子连接

  在低阻值电阻中,端子的阻值和温度系数的影响往往是不能忽略的,实际设计中应充分考虑这些因素,可以使用附加的取样端子直接测量金属材料两端的电压.如图3所示,一个四端子的连接将允许测量系统实际用到的阻值为R0,而普通的连接的阻值为R0+2xRCu .例如,10 mm长0.3 mm线径的铜线会增加2.4 mΩ的RCu阻值,4mm长0.2mm宽 35mm厚度的PCB引线的RCu阻值是10mΩ.

          
      
       图3  一个四端子的连接将允许测量系统实际用到的阻值为R0,
             而普通的连接的阻值为R0+2xRCu

  这些例子都表明有缺陷的电阻结构或者布线不合理都会导致非常大的误差,对于10毫欧两端子电阻器,铜连接线占了总阻值的24%,甚至很短的4mm的PCB布线已经使阻值翻倍.电阻材料和铜端子焊接前的结合面清理工艺可以减少端子的附加阻值,但是TCR的影响依然存在.

  如图4描述的实例中,铜的比例小到只有2%(相比前面24%的例子),然而TCR却从接近0升高到80ppm/K.对于这样结构的低阻值电阻器,如果在在技术文档中只列出合金材料本身的TCR绝对是不可以被接受也是没有价值的.

          
     图4  四端子连接使得测量系统可以从高可靠性的感测元件直接获取信号

  由电子束焊接的铜-锰镍铜电阻实际上具有这样低的端子阻值,通过合理的布线可以作为两端子电阻使用而接近四端子连接的性能.但是在设计时一定要注意取样电压的信号连线不能直接连接取样电阻的电流通道上,如果可能的话,最好能够从取样电阻下面连接到电流端子并设计成微带线.
高负载功率

  因为电阻材料的导热性比铜要差,并且大多数电阻使用厚度在20-150mm之间的蚀刻结构的合金箔,因此无法通过电阻材料到端子散热.解决方案之一就是用一层薄的导热良好的粘合剂把电阻合金箔粘合到同样有良好导热性的底板材料上(铜或铝).这种结构可以有效地将热量传导给周围环境,保证了电阻器具有非常低的热内阻(典型值为10-30K/W).(ISA-PLAN系列的电阻使用该技术制造,译者注)

  这种结构的电阻可以在非常高的温度下满负荷工作,如图5所示在很高的温度下才出现功率折减;同时,电阻材料的温度可以维持在较低水平,这就可以有效改善电阻的长期稳定性和因温度而引起的阻值变化.
      
  对于使用复合结构的极低阻值的电阻器,电阻合金的横截面积和机械强度很大,所以没必要使用底板,这也就意味着电阻材料具有足够低的热内阻,例如对于1毫欧的电阻,热内阻大约10K/W,但是100微欧的电阻,热内阻只有1K/W了.(ISA-WELD系列的电阻使用该技术制造,译者注)

        
      图5  由于自身的低热内阻,只有在高温下才出现功率折减
低电感

  在当今的很多应用中需要测量和控制高频电流,分流器的寄生电感参数也得到了大幅改善.表面贴装电阻器的特殊的低电感平面设计和合金材料的抗磁特性,金属底板,以及四引线连接都有效降低了电阻器的寄生电感.
然而,电路板上的取样端子和电阻组成了一个环状结构,为了避免其间因电流产生的磁场和外围磁场而形成的感应电压,需要特别强调要使取样的信号线形成的区域越小越好,最理想的是微带线设计(见图6中的绿线),例如,与放大器连接的两条取样信号线要设计得尽量靠近或者最好在PCB的不同层面之间平行布线,最差的设计(见图6中的红线)结果是天线效应会远远超出电阻本身实际电感的影响.
          
          图6  四端子连接的电路构成一个天线回路,
             对EMI形成的感应电压很敏感


低阻值

  四引线设计推荐用于大电流和低阻值应用.通常的做法使用锰镍铜合金带直接冲压成电阻器(图7),但这不是最好的办法.尽管四引线电阻有利于改进温度特性和热电压,但总阻值有时高出实际阻值2到3倍,这会导致难以接受的功率损耗和温升.此外,电阻材料很难通过螺丝或焊接与铜连接,也会增加接触电阻以及造成更大的损耗.

          
           图7  用锰镍铜合金带直接冲压成电阻器

  而图8的方法,使用复合材料冲压电阻会大大地减少误差,总阻值的增加会减少到不足10%,设计者也可以使用被认可的铜-铜连接技术进行焊接.

          
            图8  用复合材料冲压电阻会大大地减少误差
汽车应用说明

  出于成本和小型化的原因,汽车电子中检测100A以下的电流越来越多地使用SMD封装的精密取样电阻,阻值要求低至300微欧,在汽车电子应用中,Isabellenhuette公司可以提供SMx,LMx,VMx和BVx系列的产品,所有这些产品都是使用两端子设计和优化的物理结构,选择合理的PCB布线方式,两引线设计完全可以消除端子和焊点接触电阻的影响并达到四引线的检测精度.

  对于电流检测在燃油直喷系统,变速箱控制,前灯控制,车窗控制和引擎管理模块中的应用,一个使用铜基板来实现散热和电气连接的合理架构,能够完美地秉承锰镍铜合金的优良特性,非常高的持续和脉冲功率,低于0.1nH的电感值,5 mΩ~5W的阻值范围,从1206,2010,2512到2817的标准外形尺寸,0.5~3W的负载能力,高达0.5%的精度,以及低至13 K/W的热内阻.

      

  两引线设计的倒装系列提供了低至1mΩ的阻值,当阻值低于3mΩ时,这种设计不使用基板,对于更高的阻值,绝缘的铝质基板覆盖在上面做为载体和热传导介质.这个系列的阻值是从1 mΩ到 0.5Ω,封装尺寸是2512, 2010,1206和 0805,精度1.0%时,负载从2W到0.25W,热内阻可以低到15K/W.被广泛用于点火控制模块,变速箱控制,发动机管理模块,车窗升降器等.

  典型应用也包括开关电流调节器和有特殊要求的PWM功率控制器,例如,最大工作电流100A的散热器风扇;工作在+140℃的环境温度的风扇;要求工作在EMV Level 5的电子油泵或者工作效率高达94~98%的电子水泵等应用都要求对马达进行保护,也适合使用表面贴装电阻.用ISA-WELD技术制成的合金电阻,适用于PCB、DCB、MIS基板或者含引脚支架键合的应用,阻值范围从100µΩ到4 mΩ,1%精度下额定功率到5W,热内阻低至2K/W.

        

数据采集系统

  汽车电子中有一种应用的需求在不断增加,它需要对数百安甚至上千安培的电流进行大动态,高精度和高分辨率的测量,同时对于毫安级的电流也要求有极高的测量精度和分辨率,比如乘用车,卡车和混合动力汽车的电池和电源管理系统.

  ISA-ASIC就是针对这种应用而推出的解决方案,包括一个完整的4通道的数据采集系统,它具有16比特分辨率和许多特殊的功能,这种完全不需要补偿的数据转换器,与复合材料制成的低阻值分流器电阻构成了接近理想的电流传感器.一方面,它可以实时,线性,大动态,高精度地测量高达1500安的电流,另一方面,在低采样速率情况下,还能达到几毫安的分辨率. ISA-ASIC只需要±5V/3mA的单电源即可工作,被测信号可以是双极信号甚至可以低于电源电压,除了可以测量电流外,还能同时测量温度和电压.ISA-ASIC是目前汽车电池和电源管理系统的最佳选择.

        

  用一只特殊的2µΩ电阻,ASIC系统能够测量高达10,000A的持续电流,分辨率小于1A,ISA-ASIC的卓越性能远远超越工程师的期望.

cdm810724@yahoo.com.cn