低於1mΩ電阻兼具電流檢測優勢與挑戰

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你是否曾經將新的設計或元件方案視為一種改進的有益的替代方案,但後來卻發現它也有出乎意料的缺點?這些負面因素是你可以做更多的功課來預估並更有效評估的?還是故意或只是由於情況複雜而被埋得很深的?

用於測量負載電流的標準方法之一是在負載線上插入一個低阻值的電阻器,然後檢測其兩端電壓,如1所示,接下來就是歐姆定律的類比或數位建置。

1(a)可以將電流檢測電阻放置在電源軌和負載之間(高側),或(b)放在負載和地之間(低側)。高側檢測更難實現,但其在許多情況下具有顯著系統優勢。(圖片來源:ADI

與許多工程決策一樣,選擇使用什麼電阻值是一種權衡。高阻值電阻會在其兩端產生較高的IR壓降和電壓,從而簡化電壓檢測並提高訊號雜訊比(SNR)。然而,這卻會減少可能流向負載的功率,而且這種耗散也可能導致電阻自熱,從而帶來漂移和可靠性問題。

相形之下,低阻值電阻可以最大限度地降低這種壓降,但卻會帶來精度和SNR問題。較低的電壓降也會受到檢測放大器電路(這類應用幾乎總是採用運算放大器設計)中缺陷的影響,因為其中存在著輸入電壓偏移和偏置電流及其隨後與溫度相關的漂移——它們全都可能破壞感測值而使其超出容許範圍。

一般來說,最好使用低阻值的電阻器,這樣其相關的壓降和功耗就較低,總體上就更好,但這只能達到一定程度。其基礎指導原則是以最大電流下產生100mV壓降來確定電阻器的大小。對於許多應用,採用快速V=IR計算,就可將電流檢測電阻的值設置在1到10毫歐姆(mΩ)之間。然而,在低壓應用中,即使是適度的100mV壓降以及相關耗散,也可能超出可接受的範圍。

近年來,用於讀取檢測電阻兩端電壓的精密低壓運放的出現,使得低於1mΩ的電流檢測電阻應用成為可能。諸如TI INA185和ADI AD8417等運算放大器,具有超低電壓偏移和偏置電流以及低溫度係數,因此使用這種低歐姆電阻就很實用。

然而,幾乎每次有了新的進展也會帶來一連串新的考慮和顧慮。我曾經讀過TT Electronics的業務開發工程師Stephen Oxley寫的一篇應用筆記,文中討論到使用這些低歐姆值電流檢測電阻時,如何克服其固有的挑戰(2)。

圖2:來自TT Electronics LRMAP3920系列表貼電阻的尺寸約為5×10mm,可提供0.2-3mΩ的電阻值。(圖片來源:TT Electronics)

在這篇名為「克服使用sub-mΩ SMD的挑戰」(Overcome the Challenges of Using Sub-Milliohm SMD)文章中,他解釋了使用這些電阻器不同於甚至是mΩ級電阻器的許多方式,以及不恰當地使用將如何導致其精度、一致性甚至可信度受到影響等等。

該應用筆記提供了在使用sub-mΩ檢測電阻時需要注意的三個方面:

  • 如何以及為何要將這些sub-mΩ晶片視為一種單獨的元件類別,而不僅僅是低阻值版的mΩ版本。
  • 在元件選擇和PCB layout設計時如何避免陷阱。
  • 在每個階段量化和最小化誤差和變化的方法。

在眾多細節中,還有幾乎要強制使用四線開爾文連接相關的問題,以及其連接位置和方式的細微差別如何影響性能等問題;預估和適應由不同金屬結點的熱電效應所產生的電壓差;整個感測元件的電流通路和電壓感測迴路;使用多個並聯電阻來降低淨電阻或增加額定處理功率的不同方法(3);當然,還有不可避免的散熱考慮。簡言之:當檢測電阻器本身為sub-mΩ時,電阻器到電路的通路和接觸電阻將成為情況的重要組成部份。

3:在使用超低阻值的電阻時,即使是使用兩個並聯電阻的簡單原理,也會在電流通路方面帶來微妙的layout考慮。(圖片來源:TT Electronics

我並不會對這篇文章進行詳細總結,對你來說自己讀過才更有意義。請注意,這篇文章幾乎完全是關於電阻器、材料、終端和電流通路的,幾乎沒有提到任何相關的電子電路——這是另一個你必須計算誤差預算的地方。

再一次,最初看起來是個簡單而有益的方案,實際上卻充滿了許多微妙之處以及錯誤運用新元件的方法,從而否定了它可能提供的任何好處。畢竟,還有什麼比檢測電阻和歐姆定律更基礎的呢?

更糟糕的是,我們實際上可能得到了較差的結果而卻渾然不知,還以為自己的讀數是準確而又一致的,結果卻發現訊號和資料具有誤導性。這再一次證明了,說「這只是個簡單的改變」或「一切都很好」的任何人,通常是個資深的經驗豐富的工程師,要不就是他在專業技能上的反面。

你是否曾經將新的設計或元件方案視為一種改進的有益的替代方案,但後來卻發現它也有出乎意料的缺點?這些負面因素是你可以做更多的功課來預估並更有效評估的?還是故意或只是由於情況複雜而被埋得很深的?

編譯:Franklin Zhao

(參考原文:Sub-milliohm resistors bring current-sense benefits but also challenges,by Bill Schweber )

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