【導讀】電流是用于評估、控制和診斷電子系統工作有效性的最常見參數之一。由于電流測量是一種非常常見的測量方式，因此如果設計師忽視了精確電流測量的細微差別，往往會遇到麻煩。以下將討論電流檢測電阻的一般設置、選擇和實現。
影響電流檢測的關鍵因素
用于檢測電流的最常見傳感元件，是置于電流路徑中的低阻值精密電阻器。該電阻通常稱為分流器，會在兩端產生一個與通過它的電流成比例的電壓。由于分流電阻器不應該顯著影響電流，所以它通常非常小，阻值為毫歐級或不到一毫歐 (mΩ)。分流電阻器兩端產生的電壓因此也非常小，在被ADC轉換之前通常需要放大。
結合這些因素，針對電流監控的常用信號鏈配置會涉及到一個用于放大分流電阻器兩端電壓的模擬前端、一個將放大的電壓轉換為數字信號的ADC，以及一個系統控制器（圖 1）。
圖1：測量電流的最簡單方法是使用分流電阻器（最左側），電阻器上產生的電壓與流經它的電流成正例。為了使用完整的ADC測量范圍，模擬前端 (AFE) 會放大分流電阻器兩端的低電壓。（圖片來源：Texas Instruments）
AFE通常使用運算放大器或專用電流檢測放大器實現，將分流電阻器兩端產生的小差分電壓轉換為更大的輸出電壓，以便使用完整的ADC測量范圍。ADC可以是獨立器件，也可以是微控制器或片上系統 (SoC) 內的片載模塊，可對電壓信號進行數字化處理，并將結果信息提供給控制處理器。系統控制器使用電流的數字化測量結果，來優化系統性能或實現安全協議，以防止在電流超過預設限值時損壞系統。
在將電流轉換為電壓的鏈路中，電阻器作為傳感器元件，其任何物理特性（電阻、容差、功率容量、熱系數和熱電勢）都會影響精度。因此，選擇合適的分流電阻器對于優化電流測量至關重要。
分流電阻器兩端產生的分流電阻值和相應電壓會擾亂系統。例如，電阻太大的分流電阻器可降低用于驅動負載的電壓，并導致不必要的損耗。
舉個例子，當測量電機繞組的電流時，降低的電壓會減少電機可用的電能，從而影響其能效和/或扭矩。此外，流經分流電阻器的大電流（數十或數百安培）將導致電阻器消耗大量電能，散發廢熱，使得測量精度和效率降低。出于以上原因，分流電阻器應盡可能小。
認識分流電阻器
由于分流電阻器會因負載電流流過而消耗電能，因此它們的電阻值需要非常低。此外，為實現測量穩定性，電流檢測電阻還應具有非常低的電阻溫度系數 (TCR)。低TCR將有益于實現高測量精度，且受溫度影響較小。
電流檢測電阻的熱電勢是另一個重要特征。分流電阻器必須在寬電流范圍內工作。當電流較低時，例如在睡眠或待機模式下的電池應用中，分流器的熱電勢會將測量誤差電壓增加到流經電阻器的電流所產生的電壓。該誤差電壓應顯著低于流經分流電阻器的目標電流產生的最低預期電壓，從而最大限度減小測量誤差。
用于電流檢測應用的分流電阻器提供兩個或四個端子。帶有兩個端子的分流電阻器最容易理解，因為它的工作方式與任何雙端子電阻器的工作方式相同。電流通過雙端子分流電阻器，會在其端子上產生一個與通過電阻器的電流成正比例的電壓。
雙端子分流電阻器的示例包括Bourns的CSS2分流電阻器系列和Vishay的WSLP分流電阻器系列。Bourns CSS2系列包括額定功率為2至15 W的分流電阻器，電阻介于0.2至5mΩ，最大額定電流介于140至273 A。該系列中的典型器件CSS2H-2512R-L500F采用2512表面貼裝封裝，電阻為0.5 mΩ，額定功率為6 W。
Vishay的WSLP分流電阻器系列具有不同的表面貼裝封裝類型，封裝尺寸從0603至2512不等，額定功率為0.4至3W，電阻為0.5mΩ至0.1Ω，電阻容差為0.5%或1%。
WSLP1206R0150FEA就是一個典型的Vishay分流電阻器，它采用1206封裝，電阻為15mΩ，容差為1%，額定功率為1W。
請注意，這些表面貼裝技術 (SMT) 分流電阻器較小，需要的電路板空間很小，但由于它們的發熱量很大，因此應遠離熱敏元件。
分流電阻器中的三個電阻
分流電阻器并不像其外表看起來那么簡單。具體而言，分流電阻器的電阻實際上由三個電阻組成（圖2）。首先，分流電阻器本身有電阻。其次，分流電阻器引線和分流電阻器連接的印刷電路板上的引線也有電阻。通常這些引線電阻不明顯，但是分流電阻器的電阻值通常非常低。在高電流測量中，即使很小的引線電阻也會引入測量誤差，因為制造商的分流電阻器電阻規格中并未考慮這些電阻。
圖2：雙端子分流電阻器有三個串聯電阻：實際分流電阻器的電阻、電阻器兩根引線的電阻以及電阻器連接的印刷電路板上的引線或印制線的電阻（未顯示）。引線電阻可能在高電流測量中導致測量誤差。（圖片來源：Bourns）
避免外部引線電阻引起測量誤差的一種方法是，通過在雙端子分流電阻器上部署單獨檢測印制線來建立開爾文連接（圖3）。
圖3：雙端電流檢測電阻器的開爾文連接可減少電阻器和電路板引線電阻引起的測量誤差。右側顯示的是雙端子分流電阻器實例圖像。（圖片來源：Bourns）
在此配置中，大的電路板印制線承載分流電阻器的電流輸入和輸出。小的多的印制線則不在主電流中，但盡可能靠近分流電阻器的電阻元件，截取分流電阻器兩端的電壓并將該電壓傳送到AFE。將載流端子與檢測端子分開，即形成開爾文連接。
使用雙端子分流電阻器的開爾文連接的結果示意圖表示如圖4所示。
圖4：使用到雙端子分流電阻器的開爾文連接，將電壓檢測線路與主電流路徑分離，從而對分流電阻器實現更精確的電壓測量。（圖片來源：Bourns）
流經圖4所示的兩個檢測電阻的電流非常小，因為它們連接到放大器或ADC 的高阻抗輸入端，這使其電阻遠不如承載分流電阻器輸入和輸出高電流的引線電阻值重要。因此，檢測電阻上的電壓降非常小，不構成電流測量的重要誤差源。
四端子分流電阻：更精確的測量
從圖3中的印刷電路板布局圖中可以看出，即使使用開爾文連接，也不可能完全消除雙端子分流電阻器中的引線電阻。當分流電阻器放置并焊接到電路板上時，需要有一些焊盤布局公差以容納定位誤差。
此外，印刷電路板銅印制線的TCR（3900 ppm/ ?C）遠高于分流電阻器阻性元件的TCR（通常低于 50 ppm/ ?C）。 這些參數差異導致電路板印制線中的電阻變化遠高于電流檢測電阻器的變化，使得檢測電路受溫度影響較大。
當使用具有開爾文連接的雙端子分流電阻器時，對于涉及極高電流的許多電流檢測應用來說，精度可能不足。對于此類應用，制造商提供帶有四個端子的分流電阻器，在電阻器內實現開爾文連接。通過采用該電阻器，制造商可以完全控制與開爾文連接相關的所有公差和溫度系數（圖5）。
圖5：四端子分流電阻器實現高精度開爾文連接，檢測連接緊鄰分流電阻器。右側顯示的是四端子分流電阻器實例圖像。（圖片來源：Bourns）
采用開爾文連接的四端子電流檢測電阻器采用適合電阻器高電流和電壓測量的獨立端接，有助于提高測量精度。此外，與使用電路板布局實現開爾文連接的雙端子分流電阻器相比，使用帶有內置開爾文連接的四端子分流電阻器可以提高溫度穩定性，從而降低TCR影響。
Bourns在其CSS4系列表面貼裝器件中提供了幾種四端子分流電阻器（圖6）。
圖6：Bourns的CSS4表面貼裝分流電阻器采用四端子開爾文連接，以最大限度地提高電流測量精度。（圖片來源：Bourns）
Bourns CSS4系列的代表產品包括容差1%、5 W、0.5mΩ的CSS4J-4026R-L500F和容差1%、4W，2mΩ的CSS4J-4026K-2L00F分流電阻器。這兩款器件均具有低TCR、低熱電勢以及小于10mm x 7mm的物理封裝尺寸。
本文總結
測量電流的第一步是將電流轉換為更易于測量的電壓參數。分流電阻器是完成此任務的高性價比元件。但是，如文中所述，分流電阻器的阻抗值應該很低，以最大限度地減少其對電路的影響，并最大限度地降低電阻器本身的功率耗散。
分流電阻器的其他重要參數包括TCR和熱電勢，這兩者都會顯著影響電流測量精度。
最后，為了最大限度地提高測量精度，確保高電流經由檢測路徑流經電流檢測電阻器——這一點至關重要——方法是使用特殊印刷電路布局為雙端子電流檢測電阻創建開爾文連接，或使用四端子電流檢測電阻。
由于低電阻值意味著電流檢測電阻上產生的電壓很小，本系列文章的第2部分將討論如何設計將低電壓放大為更大電壓的AFE的考慮因素，以使電壓更易被ADC測量
。
參考資料：
1. Pini, A. (2018)。有效選擇并應用電流檢測放大器以更好地管理電源。Digi-Key文庫。
2. 阻值太低,無法測量?來試試開爾文測試吧
來源： 得捷電子DigiKey 作者：Steve Leibson
